《Optics & Laser Technology》：High-power tunable 1.06 μm semiconductor laser based on dynamic high-duty-cycle high-order gain-coupled gratings
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三段式半导体激光器基于动态高占空比高阶增益耦合光栅设计，实现1.06 μm波长25 nm精细调谐，500 mW以上输出功率和46 dB高边模抑制比，简化制造与控制系统，适用于医疗等领域。
崔强|雷旭新|陈永毅|梁磊|宋欣|贾鹏|张俊|张德晓|葛继明|王玉冰|邱成|宋月|秦莉|王立军
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光科学与技术国家重点实验室，中国长春130033
摘要
1.06微米可调谐激光器因其独特的波长和调谐特性，在医疗应用中具有显著优势。在本研究中，我们提出了一种基于动态高占空比高阶增益耦合光栅（DH-HGGs）的三段式半导体激光器。通过传输矩阵仿真和实验表征，我们证明了DH-HGG有助于提高调谐分辨率和旁模抑制比（SMSR）。此外，它还消除了对相位部分的需求，同时在超过80%的电流组合下保持了高SMSR和稳定性。该激光器在1.06微米波长下实现了25纳米的精细调谐，输出功率超过500毫瓦，SMSR高达46分贝。这种设计在简化制造和控制的同时，展示了可调谐激光器在其他波段和应用中的巨大潜力。
引言
近年来，激光技术作为一种高效且精确的治疗方法，在医学领域得到了广泛应用，例如光学相干断层扫描[1]和其他医学成像[2,3]。在各种类型的激光器中，1.06微米可调谐激光器因其独特的低吸水窗口和可调谐性而脱颖而出，在眼科手术[4,5]和皮肤治疗[6]等医疗应用中表现出显著优势。目前，大多数用于医学领域的1.06微米可调谐激光器采用基于光纤的傅里叶域锁模技术，这种技术能够实现宽的波长调谐范围和高扫描速率[[7], [8], [9], [10]]。然而，这些系统存在体积大、结构复杂、成本高、色散干扰强和稳定性差等问题，这些问题严重限制了它们的应用和发展[4,11]。相比之下，单片半导体可调谐激光器具有类似的特点，包括高输出功率、宽调谐范围和快速扫描速率，同时还具有体积小、集成度高、能耗低、可靠性高和成本低的优点[12,13]。这些特性使得单片可调谐激光器成为未来发展的一个有前景的技术解决方案。
单片可调谐激光器包括微机电结构垂直腔面发射激光器（MEMS-VCSEL）、Vernier调谐分布式布拉格反射器（DBR）激光器、分布式反馈（DFB）阵列和槽型激光器[14]。MEMS-VCSEL具有兆赫级别的扫描速率和近乎圆形的光束轮廓[15,16]。然而，由于结构限制，它们难以通过Vernier效应进一步扩展波长调谐范围，并且输出功率较低。此外，单片集成MEMS的制造过程极具挑战性，导致产量较低。研究人员还报道了一种无需MEMS的1.06微米可调谐面发射半导体激光器，但其可调谐范围仅限于工作温度范围内的10纳米[17]。而边发射半导体激光器则具有更高的稳定性和输出功率，但DFB阵列在实现宽波长调谐方面面临尺寸和耦合技术的限制[18]。基于DBR的激光器，如采样光栅DBR、超结构光栅DBR和数字超模DBR激光器[19,20]，具有高输出功率、宽波长调谐范围和快速调谐速度。然而，这些结构通常需要通过全息或电子束光刻技术制造复杂的光栅，并且需要多个外延生长步骤[21]。这些复杂的制造过程增加了生产成本并限制了产量改进。此外，这类结构的控制系统也非常复杂，阻碍了其商业化应用。研究人员报道了一种高功率的1060纳米DBR激光器，但其可调谐范围仅通过注入电流达到2.8纳米[22]。另一种实现宽波长调谐的有前景的方法是使用具有不同周期的两个槽型光栅形成的Vernier效应结构[14,[23], [24], [25], [26]]。这种设计具有紧凑的结构和高产量。然而，目前的深刻蚀和窄槽结构导致光栅均匀性较差。活性层附近的深刻蚀引入了显著的光学损耗，限制了输出功率并降低了芯片可靠性。此外，槽宽相对固定为1微米，模式选择和波长调谐完全依赖于注入电流引起的折射率变化。这导致了较低的旁模抑制比（SMSR）和有限的调谐范围。
在这封信中，我们提出了一种基于动态高占空比高阶增益耦合光栅（DH-HGGs）的三段式半导体激光器。通过创新性地使用具有动态可调占空比的HGG，实现了传输光谱间隔的灵活调谐。这种设计不仅扩展了通过Vernier效应实现的波长调谐范围，还将调谐分辨率提高了四倍以上，同时在超过80%的电流组合下有效保持了高SMSR和模式稳定性——即使消除了相位部分。此外，与低阶折射耦合光栅和深刻蚀槽型光栅不同，HGG使用浅表面刻蚀的沟槽来增加增益对比度[27,28]，从而大幅减少了光学损耗，显著提高了激光器的输出功率。因此，该激光器的输出功率超过500毫瓦，调谐范围为25纳米，SMSR为46分贝。
此外，这些光栅采用简单的I线光刻工艺制造，具有高容差、简单性、芯片可靠性和高产量。另外，三段式激光器不需要相位控制，从而简化了控制系统，使其在应用中具有很大的潜力。
部分摘录
器件设计与仿真
图1展示了基于DH-HGG的三段式半导体激光器的示意图，总腔长为2.5毫米。该激光器采用GaInAs应变量子阱结构，两侧由AlGaAs包层层包裹，通过三段的电极进行电泵浦。两侧的端面作为共振腔，光栅用于模式选择以实现有效共振。这三个部分包括前光栅区、增益区和
结果与讨论
相同电流施加到激光器的三个部分，功率-电流-电压（P–I–V）曲线如图4所示。我们实现了502毫瓦的输出功率、0.65瓦/安的斜率效率和29.7%的电光转换效率。该设备的输出功率略低于相同长度的Fabry–Perot腔激光器，但显著高于大多数单模激光器，特别是多段式可调谐激光器。
结论
总之，我们展示了一种基于DH-HGG的三段式半导体激光器，工作在1.06微米波长，实现了25纳米的波长调谐范围、超过500毫瓦的输出功率和46分贝的高SMSR。首先，Vernier效应实现的独特波长和扩展的调谐范围使该激光器在医学领域具有巨大潜力。更重要的是，通过引入所提出的DH-HGG，发现模式间隔相比传统结构显著减少了四倍。
CRediT作者贡献声明
崔强：撰写——原始草案、软件、方法论、数据管理、概念化。雷旭新：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金获取、概念化。陈永毅：方法论、资金获取、概念化。梁磊：监督、资源管理、资金获取。宋欣：可视化、数据管理。贾鹏：可视化、资金获取、正式分析。张俊：研究、资金获取。张德晓：可视化，
资助
本工作部分得到了国家自然科学基金（项目编号62090051、62090050）、国家重点研发计划（项目编号2022YFB2803500）、吉林省科技发展项目（项目编号SKL202302027、20240101015JJ）、中国科学院青年科学家基础研究项目（项目编号YSBR-065）和中国工程院地方合作项目（项目编号JL2023-16）的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
