在激光技術快速發(fā)展的今天，高功率和窄譜寬激光器已成為眾多科學與工業(yè)領域的核心需求。近期，長光華芯CTO、四川大學王俊教授研究團隊開發(fā)的一款780nm寬條分布反饋（DFB）激光器取得重大突破，室溫連續(xù)輸出功率超過10W。這項研究成果在光子學領域權威期刊《IEEE Photonics Journal》上發(fā)表，展現(xiàn)了團隊在高性能激光器設計方面的重要進展。

研究背景   

780 nm激光器是堿金屬蒸汽激光器（DPAL）的關鍵泵浦光源，在精密科學、工業(yè)加工以及國防領域中具有廣泛需求。然而，傳統(tǒng)的Fabry-Pérot（FP）激光器雖然功率高，但光譜寬度過大且波長穩(wěn)定性差，難以滿足應用需求。分布反饋（DFB）激光器因其嵌入布拉格光柵，可實現(xiàn)窄譜寬和良好的波長穩(wěn)定性，成為理想選擇。然而，在實現(xiàn)高功率和窄譜寬兼顧的同時，仍存在諸多技術難題。DFB激光器發(fā)展歷程如圖1所示，相比于9xxnm器件，7xxnm 芯片的功率的發(fā)展是相對落后，這主要受到市場需求和材料的限制，需要解決的問題也就是功率提升和內置光柵的生長。

780nm寬區(qū)DFB激光器的報道較少，在2005年，費迪南-布勞恩研究所(FBH)設計了50um條寬的780nm DFB激光器，功率為2.4W，這是迄今為止780nm DFB激光器的最高功率。對于抽運堿金屬激光系統(tǒng)，寬區(qū)DFB激光器在多個側模式下工作，會導致不可避免的光譜展寬，但它們可以提供十倍于RW器件的輸出功率。因此，開發(fā)高功率寬區(qū)780nm DFB激光器至關重要，為科學和工業(yè)應用帶來了新的可能。

圖1 7xxnm與9xxnmDFB激光器的發(fā)展歷程

研究亮點 

四川大學電子信息學院及蘇州長光華芯光電技術股份有限公司王俊教授研究團隊聚焦于780 nm波長，深入研究了限制寬區(qū)DFB激光器輸出功率的因素，攻克了多個技術難點，如光柵設計和材料生長。設計了一種基于InGaAsP/InGaP材料的DFB激光器，結果如圖1所示，在室溫下實現(xiàn)了超過10 W的連續(xù)輸出功率，譜線寬度(FWHM)小于0.5 nm，可以在寬電流和寬溫度范圍內有效地工作。

圖1 780nm寬區(qū)DFB激光器外延結構及光柵層序

01、優(yōu)化光柵設計

該研究團隊基于耦合模理論（CMT）構建了光柵分析模型，通過調整光柵耦合強度（κL控制在0.4-0.6之間）和光柵與量子阱的相對位置，計算結果如圖2所示，較小的光柵耦合系數(shù)會帶來外耦合光的比例增加，從而提高功率和效率。較遠的光柵位置顯著降低了光損耗和載流子復合的影響，確保了較高的輸出功率和低電壓。

圖2 （a）DFB激光器的諧振腔損耗隨光柵耦合強度的變化與等效FP前腔反射率隨光柵耦合強度的關系。（b）光柵耦合系數(shù)與光柵層到有源區(qū)的距離及光柵厚度的關系

02、材料與工藝創(chuàng)新

光柵區(qū)域采用了低損耗、低應力的三層InGaP/InGaAsP/InGaP結構，避免了傳統(tǒng)材料（如GaAsP）中因應力導致的光柵吸收和缺陷問題。優(yōu)化的二次外延工藝進一步減少了界面氧污染，使氧含量降至1E16數(shù)量級，大幅提升了器件效率和可靠性。

圖3  (a) DFB在外延方向的橫截面和光柵的掃描電鏡（SEM）圖像，標記了二次外延的開始。插圖顯示了光柵的放大視圖。(b)lnGaAsP光柵的透射電鏡圖像，(c)傅里葉變換后的高分辨率圖像。

圖4 O和Al的SIMS譜圖，Al作為標記層。

03、卓越性能

研究人員在12 A電流和20 °C溫控下對器件進行了性能測試，如下圖5和圖6所示，激光器實現(xiàn)了連續(xù)輸出功率超過10 W，光譜寬度（FWHM）小于0.5 nm。這一功率水平創(chuàng)下了780 nm波段DFB激光器的最高紀錄，同時在寬電流與溫度范圍內保持了良好的鎖波特性。

圖5 (a) 780 nm DFB-BA激光器（實線）和FP-BA激光器（虛線）的性能進行比較，采用相同的垂直設計，在散熱器溫度為20“C的條件下進行測試。(b)在12a電流下，光譜圖

圖6 (a)溫度范圍為20°C~ 60°C，12a時DFB激光器的光譜特性 (b)連續(xù)變電流下DFB激光器在20°C時的光譜圖，強度用假色圖表示。

總結與展望

綜上，該團隊為高功率、窄譜寬激光器的發(fā)展樹立了新標桿。并將在未來進一步優(yōu)化設計，以滿足更廣泛的工業(yè)和科研需求。此外，這項研究的技術方法還可推廣至其他波段的激光器設計。高功率窄譜寬激光器的應用前景無疑是廣闊的。從科學儀器到工業(yè)生產，再到醫(yī)療設備，它們將助力多個領域實現(xiàn)技術跨越。