富铟团簇量子结构的超凡光学特性

来源：中国激光

      北京航空航天大学物理学院的吴坚教授课题组联合中科院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室的宁永强研究员团队在半导体激光器的研究中，发现和揭示了一种III-V族铟基富铟团簇结构的超凡光学特性，并据此在国际上提出和实现了一种新概念的铟基富铟团簇量子限制激光器。

该激光器在单芯片上可实现比传统量子阱/点激光带宽高出6倍以上且基本均匀一致的超级增益光谱。这大幅提高了半导体激光器的增益光谱带宽和为解决光谱输出功率的均匀性难题奠定了基础。同时，利用这种新型的量子限制结构还可实现偏振的双波长激射等。这项研究突破了长期以来量子阱/点激光介质在光学性能上的一些瓶颈，对发展新一代高性能半导体激光器产生重要的意义和巨大的应用价值，其研究成果一年内两次被国际顶级光学期刊ACS Photonics收录发表。  

 图1 InGaAs表层的富铟团簇结构（AFM图片）   

铟基富铟团簇量子限制激光器是以InGaAs/GaAs为基本增益介质，利用外延材料生长时的高应变，在InGaAs顶层生成大量的富铟团簇，如图1所示。由于铟原子在高应变材料生长过程中会产生迁移释放应力，因此原有的InGaAs基层将部分失去铟原子，形成一种非常特殊的铟组分变化的多InGaAs增益区。这种结构的特殊光学特性至今才被发现和揭示是因为长期以来富铟团簇一直被误认为是材料结构的一种缺陷，以致绝大部分的研究都聚焦在如何避免它的产生，而忽视了对它的特殊光学性质的研究揭示。

富铟团簇量子限制结构特殊光学特性的发现为发展高性能半导体激光器开辟了新的空间。一方面，它可应用于发展基于单芯片的超宽调谐和光谱输出功率均匀一致的激光器，虽然可调谐半导体激光器作为有源光学器件已经获得广泛的应用，然而长期以来传统可调谐激光器较窄的光谱调谐宽度和非均匀的光谱功率在很大程度上制约了可调谐激光器的应用，也成为可调谐激光器发展和应用的瓶颈而一直未获突破。这主要归因于当前激光材料产生的较窄增益带宽和中心高两端低的固有增益谱特征。

图2 富铟团簇量子限制激光器的超宽偏振增益特性

富铟团簇量子限制激光介质是由大量铟组分变化的多InGaAs增益区组成，这些增益区构成统一的单激活层。在适当的泵浦条件下，这些区域的辐射叠加可以导致有效增益谱的极大展宽和在整个带宽内产生接近一致的增益值（准矩形增益谱）。这提供了实现激光器的超宽带调谐和光谱输出功率一致的必要条件，如图2所示。InGaAs材料的激射谱在近红外的900nm-1000nm范围，通过结合倍频技术还可延伸到可见光范围或通过InGaN材料中的富铟团簇效应实现短波和1.3μm通讯波段的宽光谱激射。相关成果已发表在ACS Photonics（5, 4896−4902，2018）上。

另一方面，富铟团簇量子限制结构可应用于发展基于单芯片的偏振双波长激光器。双波长激光器在差分激光雷达、大气污染检测、非线性光学混频和太赫兹波的产生等领域已经发挥了重要作用，成为激光应用的重要组成部分。当前，基于半导体发光器件的双波长激光装置多是利用传统的量子阱器件来实现双波长激射，传统装置集成复杂且成本较高，很大程度上影响了双波长激光装置的稳定性和使用。由于受器件的限制，国际上至今尚未找到一种更好的双波长激光芯片和有效的方法。

图3（a）InGaAs富铟团簇结构的复合能带图；（b）InGaAs富铟团簇结构的光致荧光谱

最近由北航吴坚教授和中科院长春光机物理所宁永强研究员联合团队发现并提出的新型富铟团簇量子限制激光介质及其器件由于其特殊的能带结构和荧光辐射特性（图3所示）可以基于简单的F-P腔结构在单芯片上实现稳定的偏振双波长激射，如图4所示。这为发展单芯片高可靠性的双波长激光器及其应用提供了一种全新和有效的解决方案。相关成果已于近期发表在ACS Photonics（6,1990−1995，2019）上。

图4 InGaAs富铟团簇结构的偏振双波长激射

上述在ACS Photonics发表的研究成果中，北京航空航天大学的于庆南博士为第一作者，吴坚教授为通讯作者。中科院长春光机物理所宁永强研究员团队成功研制了相关的激光芯片。该工作得到国家自然科学基金项目（项目编号：61474118）的资助。