高功率表面发射分布式布拉格反射激光器的创新设计与性能突破

为解决传统光栅衍射表面发射半导体激光器连续波(CW)输出功率受限（仅数百毫瓦至数瓦）的问题，研究人员提出了一种发射区与增益区分离的新型结构，采用二阶光栅和窗口设计实现波长锁定与垂直出光耦合。该研究通过避免发射区电注入热效应，将CW输出功率提升至6.28 W，远场发散角降至1.9°×6.4°，为高功率表面发射DBR激光器提供了创新方案。

　　

在光学通信、激光雷达和工业加工等领域，高功率半导体激光器因体积小、寿命长和波长可调等优势备受青睐。然而，传统器件存在出光面易损伤、发散角大和单色性差等瓶颈，尤其光栅衍射表面发射激光器的连续波输出功率长期徘徊在瓦级以下，难以满足市场需求。尽管过去四十年间，从日本团队7 mW的量子阱结构到美国高校10 W的脉冲阵列，功率提升始终伴随复杂工艺和热管理挑战。

为解决这一难题，中国研究团队创新设计了发射区与增益区分离的结构，通过二阶光栅实现波长锁定和垂直出光耦合，同时采用大光学腔和免二次外延工艺。该成果发表于《Optics》，其核心方法包括：1）利用有限元法优化光栅周期（Λ=292 nm）和占空比（0.5）；2）在发射区引入窗口结构降低非辐射复合热效应；3）采用倒装焊封装于MCC散热基板。

理论模拟
通过分离增益区（含多量子阱MQW）与发射区（含二阶光栅），仿真显示该结构可实现98%的光场限制因子，并确定最佳光栅参数使衍射效率达理论峰值。

结果与讨论
制备的2.5 mm×1 mm芯片在阈值电流2.7 A时启动，最大CW功率6.28 W创同类器件纪录。关键发现包括：1）发散角在垂直光栅方向稳定于1.7°；2）电光转换效率达35%；3）热阻分析证实发射区温度降低显著提升光栅损伤阈值。

结论
该研究通过结构创新和参数优化，首次将表面发射DBR激光器功率推至6 W级，同时保持亚2°发散角。其意义在于：1）为高功率集成光源提供免复杂外延的工艺路径；2）揭示热-光耦合机制对光栅稳定性的影响；3）推动LiDAR和激光加工等应用发展。作者Jishun Liu等特别指出，该设计可扩展至中红外量子级联激光器(QCL)领域。