雙波長自鎖模半導體薄片激光器*

沈曉紅 曾盈瑩 毛琳 朱仁江 王濤? 羅海軍 佟存柱 汪麗杰 宋晏蓉 張鵬

1) (重慶師范大學物理與電子工程學院,重慶 401331)

2) (中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,長春 130033)

3) (北京工業(yè)大學應用數(shù)理學院,北京 100124)

4) (重慶師范大學,重慶國家應用數(shù)學中心,重慶 401331)

雙波長鎖模激光器在光通信、泵浦探針實驗、非線性頻率變換等方面應用廣泛.本文報道了一種雙波長自鎖模半導體薄片激光器.利用增益芯片底部的高反射率分布布拉格反射鏡和外部的耦合輸出鏡構成簡單的直線型諧振腔,腔內不需要額外的插入元件,依靠增益介質的克爾效應,結合激光芯片上泵浦光斑形成的軟光闌,即可啟動鎖模過程,實現(xiàn)穩(wěn)定的自鎖模輸出.鎖模脈沖寬度為4.3 ps,重復頻率為1.1 GHz,最大輸出功率為323.9 mW.在鎖模的基礎上,使用簡單的刀片作為波長調諧元件,通過改變刀片插入諧振腔的深度,可連續(xù)調諧激光波長,并在某一特殊位置,獲得穩(wěn)定等強度的雙波長輸出.實驗中的穩(wěn)定等強度雙波長為951 和961 nm,對應的輸出功率為32 mW.該雙波長對應的差頻輻射為3.3 THz,具有較好的應用潛力.

1 引言

半導體薄片激光器(semiconductor disk lasers,SDLs),又稱光泵浦垂直外腔面發(fā)射激光器,結合了固體薄片激光器和半導體面發(fā)射激光器的優(yōu)點,能同時提供良好的光束質量和較高的輸出功率[1].與固體激光器相比,SDLs 所采用的增益介質發(fā)射波長覆蓋了從440 nm 到5.3 μm 的寬廣波段[2],通過頻率變換還可以進入到深紫外[3].與傳統(tǒng)的邊發(fā)射半導體激光器相比,SDLs 具有靈活的外腔結構,方便在諧振腔中插入不同類型的光學元件,進行頻率變換(高次諧波產(chǎn)生、和頻、差頻、參量振蕩等)、波長選擇(調諧、雙波長輸出、線寬壓窄)、模式鎖定等.優(yōu)良的性能使其在生物醫(yī)學、激光共聚焦顯微鏡[4]、原子和分子物理學、光譜學、激光鈉導星等諸多方面得到了廣泛應用.

雙波長激光器在干涉測量[5]、光譜分析、自由空間光通信[6]、非線性頻率變換[7]及激光醫(yī)療等領域有重要的應用.傳統(tǒng)的氣體激光器容易獲得雙波長,但是與氣體激光器相比,固體激光器獲得的雙波長功率更高,發(fā)射波長覆蓋范圍更寬.除了氣體和固體雙波長激光器以外,也可以在半導體激光器中獲得雙波長輸出.SDLs 尤其具備產(chǎn)生雙波長的優(yōu)勢: 首先,SDLs 的增益帶寬大,波長可調諧廣,其產(chǎn)生的雙波長可調諧范圍也相應較寬;其次,SDLs 的發(fā)射波長可以設計,從而輸出雙波長的間隔也可以靈活調節(jié).

在SDLs 中獲得雙波長的方法很多.2005 年,Leinonen等[8]在SDLs 的單個增益芯片中使用兩種不同成分的量子阱,實現(xiàn)了間隔為58 nm 的雙波長,其波長分別為984 nm 和1042 nm.2007 年,Fan等[9]使用腔內傾斜法布里-珀羅標準具和布魯斯特窗口,在V 型腔中實現(xiàn)間隔為2.1 nm 的雙波長.2010 年,Hessenius等[10]采用線性腔和V 腔的增益耦合,在SDLs 的同一個增益芯片中獲得不同的輸出波長.Hessenius等[11]在2012 年采用雙增益芯片,在T 型腔中實現(xiàn)了間隔為35 nm的雙波長,通過旋轉濾波片,雙波長間隔可擴展到52 nm.同年,Scheller等[12]用基于衍射光柵外部反饋的SDLs,實現(xiàn)了可調諧的雙波長,雙波長的差頻可以從300 GHz 調諧到3.5 THz.2016 年,Zhang等[13]在同一腔內串行兩個增益芯片,獲得間隔為10 nm的雙波長發(fā)射.2019 年,邱小浪等[14]用雙增益芯片,在一個共Y 形腔中獲得953 nm和1100 nm 的雙波長.2021 年,使用刀片作為調諧元件輸出雙波長被報道,其輸出的雙波長分別為961 和970 nm[15].此外,雙波長SDLs 也可以使用多重折疊腔[16]以及在增益介質中使用空間分離模式實現(xiàn)[17].

近幾十年來,皮秒量級鎖模激光器的性能得到高速發(fā)展,其短脈沖持續(xù)時間可以在時域進行高分辨率測量,是測量高速現(xiàn)象的完美光源[18].除此之外,鎖模激光器在時間分辨光譜學[19]、光學互連[20]和生物醫(yī)學[21]等領域也得到了廣泛應用.而鎖模激光器包括染料激光器、氣體激光器、固體激光器和半導體激光器等,隨著激光技術的發(fā)展,染料鎖模和氣體鎖模激光器都存在一些安全隱患,特別是介質的泄露會危害人身安全;固體鎖模激光器在高重復頻率下存在調Q不穩(wěn)定現(xiàn)象;半導體鎖模激光器不存在高重復頻率下的調Q不穩(wěn)定的現(xiàn)象,其重復頻率可以高達幾十GHz;光纖鎖模激光器可以實現(xiàn)孤子鎖模和諧波鎖模,獲得fs 量級的超短脈沖和高的輸出功率[22,23].SDLs 作為一種新型的半導體激光器,其鎖模不僅有其他鎖模激光器的優(yōu)點,同時還可以獲得優(yōu)質的光束質量和較高的峰值功率.

首次用SDLs 實現(xiàn)鎖模可以追溯到2000 年.利用半導體可飽和吸收鏡(semiconductor saturable absorber mirror,SESAM)作為鎖模器件,通過V 型腔獲得了重復頻率為4.4 GHz 和脈沖寬度為22 ps 的鎖模脈沖輸出[24].Maas等[25]在2007 年首次演示了鎖模集成外腔面發(fā)射激光器,該實驗將SDLs 的增益區(qū)域與SESAM 的可飽和吸收區(qū)域結合在一起,形成了一個集成的半導體芯片,在直腔中獲得重復頻率為2.9 GHz,脈沖寬度為31.91 ps的鎖模脈沖.利用SESAM 鎖模,雖然能夠獲得較好的短脈沖輸出,但其加工工藝設計要求嚴格,需要精確設計其吸收波長.將SESAM 和增益芯片集成獲得的鎖模器件,雖然可在簡單腔型中實現(xiàn)鎖模,但需要結合量子阱和量子點工藝,極大地增加了芯片外延生長的復雜性.

2011 年,Chen等[26]首次在線性腔結構中演示了SDLs 自鎖模,諧振腔內沒有使用任何鎖模元件,實現(xiàn)了重復頻率為2.17 GHz,持續(xù)時間為654 fs的輸出脈沖.2012 年,Kornaszewski等[27]采用復雜的六鏡腔結構,在腔內靠近輸出鏡的位置插入狹縫,獲得了重復頻率為210 MHz,持續(xù)時間為930 fs的鎖模脈沖;在沒有狹縫的情況下也可以觀察到重復頻率為200 MHz,持續(xù)時間為1.5 ps 的鎖模脈沖.2017 年,Bek等[28]在線性腔中在3.5 GHz 重復頻率下實現(xiàn)了持續(xù)時間為22 ps 的單脈沖,但其輸出功率較低,只有30 mW.因為自鎖模沒有可飽和吸收鏡帶來的限制,從而為鎖模SDLs 提供了更容易的途徑和更寬的光譜覆蓋范圍.

通常SDLs 自鎖?？梢杂脙煞N不同的方法實現(xiàn).第一種方法是在激光諧振腔內放置一個狹縫,這個狹縫可以使光束的邊緣產(chǎn)生損耗,通過改變狹縫的大小實現(xiàn)鎖模,產(chǎn)生穩(wěn)定的鎖模脈沖.另一種方法是利用泵浦光在增益芯片上分布不均勻性與克爾透鏡相結合產(chǎn)生的非線性增益調制形成的軟光闌,腔內沒有任何狹縫,通過適當減小泵浦的光斑大小可以實現(xiàn)鎖模[29],幾乎與用狹縫的情況相同.

雙波長鎖模激光器在泵浦探針實驗、太赫茲輻射產(chǎn)生[30]等領域具有很大的吸引力.固體激光器在鎖模運轉下可以實現(xiàn)雙波長輸出,但它們的諧振腔通常比較復雜,增益介質的能級躍遷也會限制雙波長差的調節(jié)范圍.利用鎖模SDLs 實現(xiàn)雙波長具有以下有優(yōu)點: 首先,SDLs 增益芯片擁有較大的增益帶寬,因此,實現(xiàn)雙波長的調諧范圍較大;其次,利用多增益芯片還可以更加靈活地改變雙波長輸出間隔.Scheller等[31]在2016 年報道了SDLs的雙波長鎖模,使用SESAM 在V 型腔中獲得了頻率差為1 THz 的脈沖,通過改變標準具可以調節(jié)脈沖持續(xù)時間在6 ps 和35 ps 之間,但該方法的諧振腔設計比較復雜.迄今為止,SDLs 的雙波長鎖模僅僅通過被動鎖模實現(xiàn),而雙波長自鎖模還未曾報道過.

本文報道了一種雙波長自鎖模半導體薄片激光器.激光器在連續(xù)運轉時,通過細微調節(jié)腔長以及泵浦能量,可以實現(xiàn)穩(wěn)定的鎖模脈沖輸出.在鎖模的基礎上在諧振腔中插入普通的刀片,在獲得波長調諧的同時也得到了穩(wěn)定的雙波長輸出.

2 SDLs 芯片的設計

實驗中使用的SDLs 增益芯片是采用金屬有機化合物化學氣相沉積技術(MOCVD)生長的.首先在GaAs 襯底上生長高鋁含量的AlGaAs 腐蝕阻擋層,然后生長GaAs 保護層.為了防止載流子表面復合,再生長具有高勢壘的AlGaAs 層,接下來是由12 個InGaAs/GaAsP 量子阱組成的有源區(qū).InGaAs 中In 的含量是根據(jù)目標發(fā)射波長980 nm 設計的.而GaAsP 層在有源區(qū)發(fā)揮應變補償層和泵浦吸收層的雙重作用,因此GaAsP 中P 的含量必須足夠用來補償應變,但又不能太多以至于不能吸收泵浦的能量.由30 對高Al(低折射率)和低Al(高折射率)組成的AlGaAs 層交替組成分布式布拉格反射鏡(DBR),生長在有源區(qū)上方,其中心波長和高反射率帶寬分別為980 nm 和100 nm.最后整個外延片的末端是防止氧化的GaAs層.在SDLs 中,芯片前面的半導體-空氣界面和DBR 形成一個微腔,在有源區(qū)產(chǎn)生激光駐波.為了獲得高增益系數(shù),必須準確設計并生長每一外延層的厚度,特別是多量子阱層,保證每個量子阱都處于激光駐波場的波峰位置,形成諧振周期增益結構.外延片被劃分成4 mm × 4 mm 的增益芯片,并在其外延端面依次鍍上鈦-鉑-金,然后將其鍵合在銅質熱沉上,最后用化學蝕刻去除芯片的襯底.

3 自鎖模

自鎖模實驗采用簡單的直線型諧振腔,如圖1所示,由一個增益芯片和高反鏡(反射率為99.9%@980 nm,曲率半徑為150 mm)構成.泵浦源是808 nm 波長光纖耦合輸出半導體激光器,尾纖芯徑400 μm.泵浦光通過1∶1 成像透鏡以30°角入射到增益芯片上.利用泵浦光斑和克爾透鏡形成的軟光闌,細微調節(jié)腔長和減小泵浦光斑可觀察到穩(wěn)定的鎖模.

圖1 自鎖模SDLs 實驗簡圖Fig.1.Schematics of the self-mode-locked SDLs.

鎖模脈沖通過一個光電探測器分別和一個數(shù)字示波器、一個頻譜分析儀連接進行檢測.圖2 顯示了用10 GHz 帶寬、50 Gs/s (1 Gs=10—4T)采樣率的示波器測量的鎖模脈沖序列,上方的插圖是在更寬的時間范圍內的觀測結果.從圖2 中可以看出,脈沖的周期約為1 ns,幅度一致性好,沒有其他任何調制性包絡存在,說明實現(xiàn)了較為穩(wěn)定的連續(xù)鎖模.

圖2 自鎖模SDLs 輸出的連續(xù)脈沖序列,其上部插圖為1 μs 的時間擴展范圍上的結果Fig.2.The continuous-wave mode-locked pulse of the selfmode-locked SDLs.The upper inset is the results in the time extended range of 1 μs.

圖3 是用7.5 GHz 帶寬的射頻頻譜儀測量得到的鎖模脈沖的重復頻率,其基頻信號的信噪比接近40 dB,頻率為1.1 GHz,與自鎖模SDLs 的135 mm 諧振腔長對應,即為鎖模脈沖的重復頻率.頻譜中的其余信號均為基頻信號的高次諧波.頻譜信號中不存在其他任何拍頻信號,從另一個角度表明了鎖模脈沖的穩(wěn)定性和連續(xù)性較為良好.

圖3 鎖模脈沖的射頻頻譜,其中1.1 GHz 的基頻信號即為脈沖的重復頻率,該值與自鎖模SDLs 的135 mm 諧振腔長度嚴格對應Fig.3.The RF spectrum of mode-locked pulse train,in which the fundamental frequency signal of 1.1 GHz is the repetition frequency of the mode-locked pulses,which strictly corresponds to the 135 mm resonator cavity length of the self-mode-locked SDLs.

鎖模脈沖的自相關測量結果如圖4 所示,所用自相關儀的掃描范圍是195 ps,分辨率為5 fs.通過高斯擬合,得到的脈沖的半高全寬度(full width half maximum,FWHM)為4.3 ps.

圖4 鎖模脈沖的自相關測量結果Fig.4.Autocorrelation trance of the mode-locked pulses.

圖5 是鎖模激光的光譜,譜線的半高寬(FWHM)為1.09 nm.結合圖4 的脈沖寬度,得到鎖模脈沖的時間帶寬積為1.51,幾乎是高斯型脈沖的傅里葉變換極限對應的時間帶寬積(0.441)的4 倍,說明了在鎖模脈沖中包含了比較大的啁啾成分,這可能是由于增益芯片有源區(qū)內的非線性折射率導致的.

圖5 自鎖模SDLs 的激光光譜Fig.5.Laser spectrum of the self-mode-locked SDLs.

SDLs 輸出功率隨泵浦功率的變化關系如圖6所示.從圖6 中可以看出,自鎖模與激光器的泵浦功率有關.當泵浦功率小于5 W 或大于6.6 W 時,均不能獲得穩(wěn)定的鎖模.這表明,過低的功率不足以在增益芯片內形成鎖模需要的克爾效應,因而不能啟動鎖模過程.同時,因為自鎖模SDLs 中的軟光闌是依賴泵浦光斑形成的,是固定不變的,所以過高的功率,或者說過強的克爾效應,同樣可能會使光闌失去作用,因此不能維持穩(wěn)定的鎖模狀態(tài).當泵浦功率為6.6 W 時,測得的鎖模激光的平均輸出功率為323.9 mW,對應脈沖的峰值功率為68 W.

圖6 SDLs 的輸出功率隨泵浦功率變化曲線Fig.6.Output power of the SDLs versus pump power.

當鎖模激光器的輸出功率為300 mW 時,測得的光束質量M2因子如圖7 所示,X方向為1.03,Y方向為1.00,表明了鎖模激光器輸出的是接近衍射極限的高斯光束.

圖7 鎖模SDLs 的光束質量M2 因子Fig.7.Beam quality M2 factor of the mold-locked SDLs.

SDLs 的自鎖模機制可以理解為增益芯片有源區(qū)的非線性克爾效應和泵浦光強度分布的不均勻相結合.克爾效應折射率可以表示成如下形式:

式中,n0是線性折射率,n2是非線性折射率系數(shù),I為激光脈沖的強度.本實驗涉及的GaAs 系半導體材料的非線性折射率n2近似地與泵浦光強度成線性關系.當泵浦光強度為0 時,非線性折射率是一個負值,但隨著泵浦光強度的增加,非線性折射率由負向正變化.從空間上看,高斯光束在橫截面上的光強分布是中間強、邊緣弱,從而使介質折射率形成類似的分布,進而構成一個匯聚透鏡,產(chǎn)生光束聚焦效應.光強的大小對應著焦距的長短: 光強大的區(qū)域對應的焦距短,被聚焦成光斑較小的光束,光強小的區(qū)域對應的焦距長,被聚焦成光斑較大的光束.增益芯片中泵浦光強度分布的不均勻和克爾效應相結合產(chǎn)生一種非線性增益調制,就像在芯片上加了一個光闌,稱為軟光闌.光強大的部分光斑小,通過光闌時損耗小,凈增益大;光強低的部分光斑半徑大,通過光闌時損耗大.上述對低強度部分進行的濾波,相當于光脈沖在時域上不斷被壓縮,頻域不斷被展寬,產(chǎn)生脈沖很窄的初始鎖模脈沖.當諧振腔內的脈沖窄化機制與其他的脈沖展寬機制到達動態(tài)平衡后,即可獲得穩(wěn)定的連續(xù)鎖模脈沖輸出.

4 雙波長的獲得

在獲得穩(wěn)定的鎖模脈沖后,在諧振腔中插入一個刀片,將它看成一個半狹縫裝置,作為損耗元件.為了得到更好的模式鑒別能力,實驗中把刀片盡可能地靠近輸出耦合鏡,如圖8 所示.

圖8 用于獲得雙波長的SDLs 結構簡圖Fig.8.Schematics of the dual-wavelength SDLs.

隨著刀片插入腔內深度的逐漸增加,激光的輸出波長發(fā)生連續(xù)的改變,激光器的輸出功率也隨之變化.圖9 列出了當泵浦功率固定為5.5 W 時,上述波長調諧過程中的部分激光波長和對應的輸出功率.圖9 中,激光的初始振蕩波長為965 nm.隨著刀片插入腔內深度的增加,激光波長連續(xù)地向短波長方向發(fā)生改變.在輸出波長減小到961 nm 時,腔內開始出現(xiàn)第2 個振蕩模式(951 nm).在此之后兩個振蕩模式一直共存,并隨刀片插入量的增加,長波長模式(961 nm)逐漸減弱,短波長模式(951 nm)則逐漸增強,兩者在某一位置時達到強調基本相當,此時對應的激光輸出功率為32 mW.繼續(xù)增加刀片的插入量,會使長波長模式逐漸減弱直至消失,只剩下短波長模式維持振蕩.因為刀片的插入造成了腔內的損耗增加,所以當?shù)镀牟迦肷疃仍黾拥揭欢〝?shù)值時,短波長的激光模式也會逐漸減弱直到最后熄滅.實驗中獲得的等強度雙波長分別為951 nm 和961 nm,二者對應的差頻輻射為3.3 THz,具有眾多的應用前景.

圖9 泵浦功率為5.5 W 時,SDLs 的波長調諧和雙波長輸出,及其相應的輸出功率Fig.9.Wavelength tuning and dual-wavelength output of the SDLs,and the corresponding output power when the pump power is set as 5.5 W.

實驗中之所以能夠獲得穩(wěn)定的雙波長輸出,是因為SDLs 的量子阱增益譜本身較寬,再加之外延生長過程中引入了多量子阱的材料組分和量子阱寬度在一定程度上的波動,以及電子-聲子的相互作用,和材料本身的缺陷等因素,都使得SDLs 的增益譜被非均勻地展寬,最終使SDLs 的增益譜較一般固體激光增益介質的增益譜帶寬而平坦,意味著SDLs 的腔內可能允許存在多個相互競爭的縱模振蕩.此時如果引入一種可調機制降低初始振蕩模式的增益,使其失去競爭優(yōu)勢,最初被抑制的模式的增益就有可能增加,從而在腔內形成穩(wěn)定振蕩,兩種模式的增益相同時,SDLs 就有可能同時輸出兩個波長.其雙波長的間隔可能從幾納米到十幾納米,甚至幾十納米不等.

本實驗中,輸出鏡上激光的光斑直徑可表示為

其中L為諧振腔長度;λ為激光波長;R是耦合輸出鏡的曲率半徑.實驗中刀片的位置盡量靠近輸出鏡放置,所以刀片所在位置的激光光斑大小可近似地認為由(2)式確定.由(2)式可知,波長較短的激光振蕩模式光斑直徑比波長較長的模式小.實驗中插入諧振腔的刀片提供了一種可調損耗機制,當其垂直插入腔內時,光斑半徑大的模式(長波長)受到的損耗比光斑半徑小的模式(短波長)更大,因此,原來已經(jīng)形成振蕩的較長波長的模式受到更大的損耗,從而被抑制;而原來沒有起振的更短波長的模式,則在新的模式競爭中勝出,形成振蕩.這便促成了波長的改變.由于刀片的插入量是連續(xù)變化的,所以上述對波長的調諧作用也是連續(xù)的.當?shù)镀幱谀骋惶囟ㄎ恢脮r,可能存在兩種模式有相同的增益,此時即可在腔內形成兩種模式振蕩的共存,輸出穩(wěn)定的雙波長激光.法布里-珀羅標準具(Fabry-Perot,F-P)也可作為腔內調諧元件實現(xiàn)雙波長的輸出.F-P 片可以對激光波長進行調諧是因為在一定的入射角下,不同的激光波長(模式)有不同的透過率,即F-P 片對不同的模式有不同的損耗.與刀片調諧并產(chǎn)生雙波長不同,F-P 片存在自由光譜范圍的限制,其對波長的調諧是不連續(xù)的.其次,產(chǎn)生雙波長時,用F-P 片獲得的雙波長強度并不總是均等的.

圖10 是獲得雙波長時測量的鎖模脈沖的波形,圖11 是測得的鎖模脈沖的重復頻率.在雙波長產(chǎn)生之前和之后的整個過程中,觀察到示波器上的連續(xù)脈沖序列圖和頻譜儀上的重復頻率沒有發(fā)生明顯的變化,因此可以認為在調諧產(chǎn)生雙波長的過程中連續(xù)脈沖序列和重復頻率是保持不變的.這也是可以理解的,因為時域上的脈沖序列和鎖模脈沖的頻譜均不能反映出波長相關的信息.

圖10 雙波長SDL 自鎖模輸出的連續(xù)脈沖序列Fig.10.Pulse train of the dual-wavelength continuous-wave self-mode-locked SDL.

圖11 雙波長鎖模脈沖的射頻頻譜,其中的插圖顯示了四次諧波Fig.11.RF spectrum of the dual-wavelength mode-locked pulse train.The inset shows harmonics up to fourth.

5 結論

實驗獲得了一種雙波長輸出的穩(wěn)定連續(xù)自鎖模半導體薄片激光器.利用增益芯片有源區(qū)的非線性克爾效應,結合泵浦光斑在激光芯片上形成的軟光闌,實現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)的自鎖模運轉,輸出脈沖的時間寬度為4.3 ps,重復頻率為1.1 GHz,最大輸出功率為323.9 mW.然后在諧振腔內垂直于光軸的方向上插入刀片,引入一個與波長相關的損耗機制,通過改變刀片插入諧振腔的深度,對激光波長進行連續(xù)調諧,并在某一確定位置,獲得等強度的雙波長輸出.實驗獲得的穩(wěn)定等強度雙波長分別為951 nm 和961 nm,對應的輸出功率為32 mW.上述雙波長輸出嚴格滿足同軸條件,且相干性能良好,可用于差頻產(chǎn)生,其對應的頻率為3.3 THz,可廣泛應用于雷達、遙感、國土安全與反恐、大氣與環(huán)境監(jiān)測等各個方面.