实现氮化镓绿光激光器的紧凑型光束控制

1.导论

半导体激光器具有尺寸紧凑、光谱线宽窄、光学功率密度高等特点，使其在信息技术和生命科学领域获得广泛应用。特别是氮化镓（GaN）器件将激射波长扩展至紫外-可见光谱范围，这对照明、数据存储和水下通信至关重要。当前，新兴技术亟需具备光束操纵与偏振控制功能的超紧凑多功能光学系统，而传统光学元件在微光学集成方面存在固有局限性。

当前，超表面已成为解决微纳光学场调控挑战的一种变革性方案。这种由亚波长人工原子按周期性排列组成的二维平面结构，能在亚波长尺度上有效调控光波相位。先进的波束操纵技术——特别是在偏转、聚焦、偏振转换与准直等领域——已成为具有重要应用价值的核心研究方向。通过四分之一波片纳米光栅超表面、近场聚焦超透镜等创新设计，该技术已在光学场调控方面取得重大突破，彰显出超表面技术的革命性能力。

然而，周期性或被动式超表面仍与激光系统存在功能隔离。这种局限性导致需要复杂的光学配置来实现场调控，限制了其在要求微型化、高能效和运行稳定性场景中的应用。与此同时，大多数商用氮化镓基激光器采用法布里-珀罗（FP）谐振腔，通过氮化镓衬底解理自然晶面实现差分反射率。但FP腔中狭窄的纵模间距常引发多纵模振荡，严重影响了通常针对单波长操作优化的超表面调制效率。这一难题可通过分布式布拉格反射器（DBR）结构得到有效解决。

DBR结构由高低折射率交替排列的四分之一波长层组成，通过光学振荡实现单纵模输出。在可见光应用中，DBR与超表面的材料选择至关重要。氮化镓和二氧化钛（TiO₂）因其高折射率、低吸收系数和宽带隙特性，成为优选材料。然而，使用这些材料制备高深宽比结构仍面临重大技术挑战。

 

图1：(a)520nm氮化镓激光器三维结构示意图；(b)激光波导中的模式分布与有效模式折射率

相比之下，五氧化二钽（Ta₂O₅）已成为先进光学超表面的理想候选材料，其在紫外-可见光谱范围内兼具高折射率和超低光学损耗特性。卓越的化学稳定性确保其在各种工作条件下保持结构完整性和光学性能一致性，优异的热稳定性则显著提升器件在热应力下的使用寿命。从制造视角看，Ta₂O₅可通过行业兼容的物理气相沉积（PVD）技术实现高通量制备，结合氟基反应离子刻蚀（RIE）工艺，能够实现临界尺寸低于100纳米、深宽比超过10:1的微结构加工。

 

图2：(a)520nm氮化镓基激光器发射光谱；(b)归一化远场分布模式

因此，Ta₂O₅在构建DBR高折射率层方面表现出卓越适用性，并为超表面制造提供了创新范式。该方法涉及在最外层DBR表面外延生长附加Ta₂O₅层，随后在该材料平台上直接进行超表面图形化加工。这种单片集成架构有效规避了异质材料体系固有的界面晶格失配问题，从而最大程度同步实现单模激光发射与超表面元件-氮化镓基激光器的集成。

研究中采用时域有限差分（FDTD）方法对氮化镓基绿光激光器进行了全面光学仿真。通过引入DBR结构，成功实现中心波长520nm的氮化镓基激光器。进一步提出采用非周期性Ta₂O₅高对比度光栅（HCG）方案，在集成器件上实现精密光束控制。团队设计的非周期性HCG结构能够实现激光束的大偏转角和特定焦距调控，在保持高透射率的同时展现出优异的调制效率。

相较于其他超表面方案，本研究提出的HCG结构在加工难度与光场调控性能等关键方面展现出显著优势。周期性光栅受限于固定周期和占空比，在尺寸受限的应用中存在固有局限性。而非周期性光栅可独立调节各光栅条的周期与占空比，实现离散化的相位变化分布，这种设计更易实现全相位覆盖，确保相位分布符合理论要求并减小偏差，同时提供更高的设计自由度和更广泛的应用场景。

这一创新结构为氮化镓基激光器的光学场微尺度定向控制提供了实用有效的解决方案。该器件在光束整形与波长稳定性方面的卓越性能，展现出其在微型激光雷达和激光投影系统中的应用潜力。

 

2.设计与结果

图1(a)展示了氮化镓基绿光激光器的外延结构，从下至上依次包含：GaN衬底、n-Al_O.O82GaN下覆层、n-In_O.O3GaN下波导、双周期In_O.3GaN/GaN多量子阱（MQWs）、p-In_O.O3GaN上波导、p-Al_O.2GaN电子阻挡层（EBL）、p-Al_O.07GaN上覆层以及p-InGaN接触层。团队分析了激光器波导的光模特性。鉴于模拟区域与多量子阱厚度的尺度差异，将波导结构简化为三层平板模型。基于InGaN的有源区因其本征能带结构而呈现520nm的特征发射波长，价带特性优先支持横电（TE）模在激光输出中占主导地位。

 

图3：(a)非周期性光束偏转亚波长光栅结构示意图；(b)非周期性聚焦亚波长光栅结构示意图；(c)光栅不同周期与占空比对应的透射率；(d)光栅不同周期与占空比对应的透射相位

因此，本仿真研究专门针对TE模特性展开。GaN、不同铝组分的AlGaN以及不同铟组分的InGaN的折射率均参考文献报道值。事实上，脊形半导体激光器沿外延轴向具有多层介质波导结构。为满足光学连续性边界条件，所有层共享相同的模有效折射率（neff）。该参数主导光限制机制：折射率高于neff的层作为波导芯层，通过光学限制实现驻波形成；反之，折射率较低的层充当覆层，建立模场限制边界。当光波进入该区域时，会以倏逝场形式快速衰减。

如图1(b)所示，通过有效折射率计算对波导模特性进行了数值分析。确定的模折射率neff=2.4416低于多量子阱的折射率，从而在波导内形成光学限制。这使得光被限制在波导内部并稳定传播。图2展示了氮化镓激光器的发射光谱与远场分布计算结果。得益于激光器前后端面的DBR结构，实现了中心波长520nm的稳定激射，半高全宽（FWHM）约为2nm。  
远场分析揭示了源自非对称波导限制的各向异性发散角：由于窄垂直波导中存在更强的光学限制，且外延层折射率不连续性引发散射损耗，激光器远场图案在水平和垂直方向具有不同发散角，呈现椭圆形光斑。

然而与具有大远场发散角的典型半导体激光器不同，团队设计的器件虽仍保持椭圆形远场光斑，但发散角相对较小。这归因于DBR结构的引入：虽然DBR结构主要作用是为激光提供谐振与光放大功能并无直接准直作用，但其通过增强腔内往返反馈与波导结构的限制效应协同工作，有效抑制高阶横模振荡并促进低阶横模（特别是基模）的输出。

基模光束具有更规则的波前和相对较小的发散角。此外，无论是纵模还是横模之间的模式竞争都会导致光束波前畸变。DBR结构有助于最大程度实现单模输出，从而稳定光束波前，间接为光束准直创造有利条件。

图3(a)和3(b)展示了两种提出的非周期性高对比度光栅（HCG）几何示意图。由Ta₂O₅构成的高折射率光栅被低折射率介质（本设计中为空气）包围。对于光束偏转型非周期性HCG结构，假设入射光为沿y轴传播的TE偏振高斯光束（电场方向垂直于光栅条）。由于各光栅条占空比与周期的变化，输出平面的透射相位呈现线性变化特征。

在光栅高度固定为500nm的条件下，团队分析了光栅周期260-520nm、占空比（定义为单光栅条宽度与周期的比值）0.2-0.8范围内对应的透射率与相位分布，如图3(c)和3(d)所示。结果表明在这些参数范围内可实现完整的2π相位覆盖和0-1的透射率调制，证实了设计线性相位梯度的可行性。基于参数仿真数据，我们选取具有渐进式2π相位调制的高透射率光栅单元，设计出能实现15°光束偏转的非周期性高对比度光栅。

 

图4：(a)亚波长光栅理想相位与离散单元相位；(b)各光栅条详细参数；(c)x-y平面透射光强分布；(d)距光栅顶部4μm与55μm处光强分布

图4(a)和4(b)详述了HCG的理想相位分布、离散单元相位以及各光栅条的周期与占空比参数。非周期性HCG模型采用32个优化光栅单元构建，总跨度10.36μm，实现Δφ=32.41弧度的总相位积累。如图4(c)所示，该结构成功实现光束偏转。高折射率对比度与亚波长尺寸将传播模式限制在+1级衍射，同时通过倏逝衰减抑制高阶模式。

图4(d)显示传播距离45μm和55μm处的光强分布出现峰值位置2.706μm的横向偏移，对应偏转角θ=arctan(2.706/10) = 15.14°。与15°设计目标存在0.14°的角度偏差，源于有限非周期性结构的离散相位量化与理想连续相位分布的差异。此外，所设计非周期性HCG在520纳米波长的透射率为86.5%。为量化器件性能，将绝对偏转效率（ηabs）定义为偏转光束（+1级）与总入射光束的功率比。通过分别检测HCG入射面处和偏转角位置的光功率，计算得到15.14°偏转角下的绝对偏转效率ηabs=75.3%。

光束聚焦型非周期性高对比度光栅（HCG）的工作原理与超透镜类似，但展现出独特的光学特性。与传统超透镜需要二维相位控制不同，非周期性HCG通过单向相位调制实现聚焦功能，同时在正交方向上保持均匀相位分布。这种各向异性相位工程产生线性聚焦图案，而非超透镜的对称点聚焦特征。

 

图5：(a)集成非周期亚波长光栅的氮化镓基激光器俯视图；(b)偏转角为15.14°的归一化远场分布图；(c)焦距f=8.2μm处的归一化电场强度分布；(d)被动型与主动型超表面偏转效率对比（与其他研究工作对比）

上述两种功能迥异的HCG可单片集成于氮化镓基激光二极管出光面，如图5(a)所示。图5(b)展示了集成光束偏转HCG的氮化镓激光器远场光强分布，证明该结构具有优异的束流偏转能力。为量化评估器件性能，引入光束偏转效率（Edeflection）定义为Edeflection=P1/PO，其中PO代表集成HCG激光器的总激射功率，P1表示在特定偏转角范围内收集的有效激射功率。

对于偏转角为15.14°的集成器件，团队监测了10°-20°范围内的有效激射功率，计算得到此时的光束偏转效率为44.2%。同理，团队还计算了集成光束聚焦HCG的氮化镓激光器在焦平面处的电场强度分布，如图5(c)所示。激光发射光束被有效聚焦于特定焦点。

最后，研究团队将所提出器件的偏转效率与其他研究中的超表面进行了比较，如图5(d)所示。对比分析表明，设计的HCG结构在大偏转角下仍能保持较高的偏转效率。当与氮化镓激光器集成时，虽然内部损耗会导致一定程度的效率下降，但集成器件仍展现出具有竞争力的性能。

 

3.总结

通过引入分布式布拉格反射镜结构，本研究成功实现了中心波长为520nm的氮化镓基激光器。随后在激光器出光面集成非周期亚波长光栅结构，在保持44.2%光束偏转效率的同时，成功实现了15.14°的大角度光束偏转，并达成8.2μm特定焦距的线性聚焦功能。本研究设计的集成器件兼具高集成度与高效率特性，为氮化镓基激光器的微尺度光场定向控制提供了有效解决方案，在微型激光雷达、激光显示和激光扫描等前沿领域具有广阔的应用前景。

 

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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