三镜腔单纵模半导体膜外腔面发射激光器的制作方法

本公开涉及外腔面发射激光器，更具体地，涉及三镜腔单纵模半导体膜外腔面发射激光器。

背景技术：

1、近年来，对量子技术和超冷原子领域的兴趣逐渐增加，使得对与原子和离子跃迁相关的非常稳定的激光器的需求也逐渐增加。迄今为止，这种兴趣主要由放大的外腔、电泵浦的边缘发射半导体激光器来满足。这种技术需要半导体材料中非常小的孔径来实现横向单模操作。因此，这些器件的功率缩放受限于增益元件的功率密度接受度。

2、为了克服这种功率限制，已经提出并实现了光泵浦表面发射器件。在这些器件中，嵌入在势垒层之间的若干量子阱层由光辐射激发，并且激光谐振器以与这些量子阱层成显著的入射角(通常为90°)的方式进行构造。与边缘发射激光增益材料相反，谐振激光束的横模不受包含光学增益材料的控制，而仅受外腔的控制。这种技术允许在增益材料中实现更大的孔径，从而提高了功率密度。

3、半导体材料的光泵浦垂直发射技术在vcsel、vecsel和mecsel配置中实现。在vcsel(垂直腔面发射激光器)器件中，腔被形成在单片器件中。为了将激光器限制为纵向单频操作，设计了光腔长度ngl(ng为组索引)，使得自由光谱范围超过增益带宽δλgain：

4、

5、由于半导体激光器的增益带宽远大于掺杂固态激光器的增益带宽，典型的光腔长度在<50μm的数量级，这限制了激光器可以在基横模下工作的横向区域。vecsel(垂直外腔面发射激光器)和mecsel(半导体膜外腔面发射激光器)利用延伸超过提供光学增益的元件的激光腔。vecsel提供了一个与增益结构紧密接触的腔镜。在mecsel配置中，所有的腔镜可以放置在离提供光学增益的元件相当大的距离处。外腔配置允许腔设计将激光横模限制为基模。但是它需要另外的腔元件以将这种激光器配置限制到单纵模操作。

6、由于vecsel和mecsel技术将激光腔的长度延伸到增益和反射镜结构周围的环境中，因此可以实现高效的腔内频率转换，如二次谐波生成(参见ref.[2])。

7、mecsel技术的优点

8、在典型的vecsel装置中，vecsel芯片包括提供光学增益和布拉格反射镜两者的层。在大多数情况下，这种反射镜被用作腔端反射镜。相反，mecsel芯片也包含提供光学增益的层，但不存在附接到增益结构的布拉格反射镜结构。增益元件附接在一个或两个表面上的透明散热材料(优选碳化硅)上。使用合适的碳化硅晶片材料，多量子阱结构与透明散热器的直接结合仅在必要的清洁和活化步骤下是可行的。与ref[6]中提出使用单片金刚石并且结合不同于本公开的激光方案相比，该工艺可以非常有效地在晶片级上进行。例如，100mm直径的加工已经显示出非常高的产量。

9、vecsel利用法布里-珀罗激光腔端反射镜中的一个，该反射镜经外延生长并与激光器的增益结构直接接触。可用于这些反射镜的材料(例如，gaas、alas和inp、gainasp)与自由空间激光腔中常用的典型介电氧化物和氟化物材料(例如，sio2、al2o3、mgf2、ti2o5、ta2o5)相比，具有低的折射率对比度。外延生长层的氧化是可能的，但是该工艺限制了可用的有源区。

10、在典型的vecsel配置中，通过附接到增益结构的布拉格反射镜来执行增益介质的冷却(参见ref.[2])。由于外延生长的半导体反射镜的较大的热导率，这些反射镜比介电氧化物涂层更优选。这限制了可调谐带宽方面的技术。

11、图1和图2给出了通常用于1050nm自由空间激光器(如mecsel腔)的反射镜材料的比较。图1描述了由sio2和ta2o5制成的激光腔端反射镜的反射率。相比之下，图2示出了如通常在vecsel中使用的单片生长在量子阱结构顶部上的alas和gaas的腔端反射镜的反射率性能。这两种情况都示出了具有20对高折射率和低折射率四分之一波长光学厚度的多层布拉格反射器设计。在这些示例中，可用反射率带宽增加了两倍。

12、图3示出了现有mecsel器件的基本装置。在图3所示的mecsel示意图中，增益元件104由泵浦光束和透镜101光泵浦，并被透明的散热器102和103冷却。mecsel腔由两个介电反射镜100和105形成，并产生谐振光束106。该光束的一部分107通过半透明反射镜100耦合出该腔。

13、图4示出了现有vecsel器件的基本装置。如图4所示的vecsel示意图示出了增益元件203，其由泵浦光束和透镜201光泵浦，并通过布拉格反射镜202的腔外侧冷却。激光腔由该反射镜202和外耦合反射镜200形成，并产生谐振光束204。该光束的一部分205通过半透明反射镜200耦合出该腔。vecsel装置可以利用附加的腔内散热器或者利用非线性外耦合来操作(例如，二次谐波生成，参见ref.[2])。

14、mecsel技术的另一个优点是以低成本的晶片级处理的低复杂性。仅处理增益结构而不处理布拉格反射镜保持了外延生长材料的非常好的表面质量，并且允许通过光学接触将增益材料晶片级结合到合适的透明散热器，其中范德华力形成刚性接触。

15、mecsel单频可调谐激光器设计的挑战

16、mecsel技术具有一些优于vecsel技术的独特优点，最突出的是有效使用常规涂覆的电介质宽带布拉格反射器，其实现宽的可调谐性和产生短的锁模脉冲的能力，以及高效的晶片级生产。两种技术都利用量子阱，如果激光驻波图的波腹与量子阱位置对准，则在驻波谐振器中量子阱被最有效地利用。mecsel的缺点是(与vecsel相比)，量子阱相对于由腔镜限定的激光辐射的驻波图的控相位关系不受控制。典型的vecsel设计被优化为使驻波波腹和量子阱重叠(参见ref.[3])。由于量子阱结构非常靠近一个腔端反射镜，因此在器件的调谐范围内可以很好地满足这一条件，尽管器件示出了量子阱结构周围的子腔引入的一些光谱滤波。

17、现有的频率选择方案，如双折射滤光器和标准具(参见ref.[1],ref.[2]和ref.[3])也可以用在mecsel配置中，但不提供控制量子阱多层结构内部驻波相位的方法。到目前为止，还没有驻波mecsel的无模跳调谐或长期无模跳操作的公开。通过使用行波谐振器可以避免该问题。由于半导体表面发射器的光学增益很小，以及单向激射所需的光学二极管的的吸收相对较大，不能以有效的方式使用简单的现有行波单频激光器方案。ref.[6]建议了一种使用耦合到有源激光环的稳定无源环形谐振器的方法。使用这种方法，可以使有源腔的有效吸收损耗最小化。本公开的实施例提供了在激光辐射的不期望方向的损耗与法拉第元件的有效吸收损耗之间的权衡。与本公开的实施例相反，ref.[6]中提出的方法建议了一种比较复杂的激光器设计，其在激光器的最小覆盖区和成本方面具有明显的限制。

18、在长期操作期间，连续调谐到增益带宽内的任何波长以及防止模跳，需要附加的控制特征。ref.[4]建议“mecsel中的增益结构可以放置在腔内的任何位置”。然而，利用驻波腔的仿真和测试已经表明，如果激光器需要被连续地调谐而不从一个单纵模翻转到另一个单纵模，则情况不是这样。

19、现有的装置利用涂有ar的mecsel芯片(参见ref.[1]和ref.[4])，其中平均波长可以通过双折射滤光器来调谐，但是它们没有示出具有无模跳调谐的单频操作。但是，这些装置不控制mecsel元件到腔端反射镜的距离。

20、在图5和图6中示出了mecsel腔内的驻波图的模拟结果。该模拟假定光谱窄化是通过现有技术如双折射滤光器、多层涂层和法布里-珀罗标准具(滤光器元件未示出)进行的。在图5和6中，绘出了折射率和能量在整个腔上的绝对值。为了更好的可视性，mecsel芯片的结构被简化为ar涂层、透明散热器(在这种情况下为sic)、吸收晶体势垒层和量子阱。空气中典型的mecsel总光腔长度在5mm到400mm的范围内。为了提高该图的可读性，通过空气的腔径被模拟得更短。此外，通常为电介质多层布拉格反射器的腔端反射镜被简化为单个高折射率界面。腔内的谐振激光辐射能量的绝对值(a.u.)在折射率结构上绘制。

21、不包含mecsel技术的现有可比腔建议通过一个腔端反射镜的压电致动来调谐腔长度(例如，参见ref.[3])，从而调谐腔谐振频率。假设激光腔被滤波成单纵模，则这个单模的频率随腔长度而变化。在该模拟中，总的光腔长度支持一个专用频率的谐振。在图5和图6所示的模拟结果之间，增益元件相对于腔端反射镜的位置被移动了λ/4(在空气中)。在图5中，谐振激光频率的驻波图的波腹与量子阱对准，因此为谐振能量提供了最大的光学增益。在图6中，谐振频率的节点与量子阱位置对准，从而提供最小的光学增益。实际的滤波方法仅提供mecsel配置中的可选纵模的有限抑制。在图6的情况下，不仅输出功率与图5中的情况相比将被减小，而且在期望波长提供的低增益将可能为具有更高增益的可选波长提供更有效的增益/损耗比，即使往返损耗可能更高(由于频率选择元件)。

22、目前，还没有公开或保护对这个问题的解决方案。在其它激光器类型中使用的激光器输出波长变窄和纵模选择的技术没有充分地克服控制mecsel增益元件内部的谐振相位的问题。

23、已经对从vecsel出版物(参见ref.[3]和ref.[5])中已知的频率稳定技术进行了测试，例如除了双折射滤光器之外还引入一个或多个标准具。这些技术确实允许mecsel器件的临时单频操作。但是，由于缺乏用于增益和滤光器元件中的相位控制的适当方法，不能实现无模跳调谐。此外，激光器对环境引起的光腔长度变化很敏感。

技术实现思路

1、本公开的实施例提出了引入单个腔内反射的手段，该单个腔内反射在到量子阱结构的受控距离处产生。它在三镜法布里-珀罗腔中提供光谱滤波，同时还固定了相对于mecsel增益介质的波腹位置。在本公开的实施例中，描述了一种纵模控制和优化的方法，允许激光器的长期操作而不会自发切换到相邻纵模(“模跳”)，以及谐振波长的受控调谐，同时保持最佳腔条件以提供用于预期谐振波长的最大增益/损耗比。该方法提供了可以容许具有大于10％的可用增益的寄生反射(来自ar涂层或表面散射)的鲁棒滤波。

2、处理mecsel芯片的技术人员，特别是在执行将半导体衬底上生长的增益材料与透明散热器键合并进一步处理中有经验的技术人员，将理解由本公开的实施例提供的独特优点。使用合适的sic晶片，所有这些工艺可以在晶片级上进行。与ref.[6]中描述的方法相反，不需要额外的粘合层或抛光步骤。由于该工艺是在完整的sic晶片而不是单片金刚石上进行的，因此接近100％的产率是可能的，并且已经证明了晶片表面的非常高效的使用。这提供了高效生产用于内部和外部使用的增益元件的可能性。结合所提出的在简单的激光器设置中产生瓦特级单频激光器的方法，在具有和不具有腔内频率转换的情况下，基于本公开的实施例的技术将在原子和离子光谱学和冷却的市场中实现商业成功。

3、本公开的实施例提供了一种方法，该方法使得具有瓦特级输出功率的光泵浦mecsel技术能够在线性驻波腔中以窄线宽(＜100khz)在单纵模(slm)中工作。所描述的技术提供了在连续调谐或频率锁定操作中防止模跳的手段。本公开的实施例提供了一种技术，以从根本上克服腔内驻波图相对于增益结构中的量子阱(qw)的不受控位置的mecsel缺点，同时还通过谐振模式的主动稳定来支持模式滤波和模跳防止。尽管mecsel技术已经公开(例如，参见ref.[1])，但迄今为止还没有公开在线性腔中的可调谐且无模跳的单纵模操作。本公开的实施例适于结合其它技术，如体布拉格光栅光谱窄化和高效腔内频率转换，尤其是二次谐波生成(shg)，建议实现可见单频激光器的二极管泵浦操作。对于在光谱学中的使用以及对于原子和离子冷却的应用，可调谐性和长期无模跳操作是必须的。

4、与放大外腔激光器的常用方法相比，mecsel技术提供了获得输出功率优势的能力。克服纵模控制的困难使得该市场能够获得商业成功。使用具有到中心反射镜的距离受控的量子阱的三镜腔的实施例是新颖的，并且提供了对该问题的独特解决方案。

5、本公开的实施例提供了一种可调谐激光器，其在单纵模中操作以发射输出波长范围内的可调谐辐射，该可调谐激光器包括：光腔，其包括第一端反射镜、第二端反射镜以及中心反射镜；量子阱增益区域，其介于所述第一端反射镜与所述第二端反射镜之间；以及透明散热器，其键合到所述量子阱增益区域的表面；其中，所述光腔被配置为在所述第一端反射镜和所述第二端反射镜之间生成谐振激光辐射；其中，所述量子阱增益区域包括至少一个量子阱，所述至少一个量子阱与所述谐振激光辐射的波腹基本上对准并且位于距所述中心反射镜固定距离处；其中从所述第一端反射镜到所述中心反射镜的腔内距离保持在谐振位置以维持最大输出功率，并且从所述第二端反射镜到所述中心反射镜的距离是可调整的以用于将所述激光器调谐到期望的输出波长；其中，所述中心反射镜被配置为将所述谐振辐射的波腹保持在与所述中心反射镜成固定相位关系的位置处。