新型Bragg反射波导光子晶体激光器的研究

传统半导体激光器采用低折射率波导进行导波，激光腔窄小，在大电流注入下面临着端面灾变性毁坏、烧孔、光束成丝、纵向发散角大、光束质量差等难题。本课题主要研究新型Bragg反射波导激光器。它是一种具有一维线缺陷的光子晶体激光器，采用横向Bragg反射波导替代传统的全反射波导对光场进行限制，内腔为低折射率材料，用以形成光学线缺陷。此类器件具有高增益、大激光腔、模式间增益损耗差别大等特点，可有效改善烧孔和光束成丝等有害效应，并能实现高功率单模输出。本课题在申请者的广泛调研和自身实践基础上提出，立足于基本的器件物理问题，拟重点解决器件内腔厚度与器件性能的Trade-off问题、高阶模式竞争和高损耗等问题，通过器件结构优化、MOCVD外延生长和实验制备来实现低阈值、高量子效率、高功率单模（>500mW）半导体光子晶体激光器，在新型器件的研究上构筑从材料到器件的完备体系。

本项目主要针对传统半导体激光器激光腔窄小、发散角大、椭圆出光、光束质量差的问题，研究新型Bragg 反射波导光子晶体激光器。针对主要科学问题开展研究，项目完成了所有的预期的研究目标，共发表期刊论文10篇，会议论文7篇，其中SCI索引6篇，EI索引10篇，ISTP索引2篇，国际会议邀请报告2篇，申请国家发明专利6项，已经授权2项。取得具体成果如下：(1)提出用双边横向Bragg反射波导构成一维光子晶体缺陷，增大半导体激光器谐振腔，降低发散角，提高光束质量，相关器件结构获得国家发明专利授权；(2) 突破厚尺度Bragg反射波导外延生长技术，成功生长了高质量、低缺陷密度、厚达16微米的Bragg反射波导光子晶体激光器芯片；(3) 研制出垂直、水平方向发散角低达7.5度和7.2度，近圆形光束出光的半导体边发射激光器，器件输出功率>2W，斜率效率0.531W/A。该成果被中国科学报、科学网、激光世界(Laser Focus World @ China)等多家媒体报导，并被中国日报等多家媒体转载。《激光世界》对我们的工作评价说“这一研究有助于推动我国半导体激光器的发展，帮助我国突破在大功率激光器技术研究上的障碍，提升我国在国际激光领域的技术地位，形成自主的激光芯片，推动相关产业的发展”。科技部科技查新报告【编号201336000L240009】显示该器件结构是一种国内外未见报道的新结构。器件经乌克兰科学家应用，证明其优越性。通过工艺优化，最终实现单管器件最高连续单横模输出功率4.2W，脉冲>11W，最小发散角~4.9度，并可以在不同工作电流下器件一直保持圆形光束出光。因为该研究是从器件自身结构入手，可以拓展到不同波长，这将会从源头改变目前半导体激光器发散角大、椭圆形光斑的缺点，可替代目前商业化的半导体激光器，在工业领域和军事国防领域都有着重要的应用前景。该器件已获国家发明专利授权，为该项技术获得自主知识产权奠定基础。(4)采用Bragg波导证明了对称双光束激光器，室温输出功率2.6W，对称的两个近圆光斑夹角62度，发散角仅为5.4度。采用锥形结构，使得侧向发散角几乎不受注入电流影响，该结果发表在Chinese Optics Letters，并被作为封面故事作重点报道。