南宫28ng2月份首次公布了100W以上单管芯片，该研究成果正式发表在国际SCI知名期刊《photonics》上。双结单管芯片室温连续功率超过132W（文献报道单管芯片最大功率的约两倍），是迄今为止报道的单管芯片功率最高水平，持续引领高功率芯片行业技术发展。文章题为“Double-Junction Cascaded GaAs-Based Broad-Area Diode Lasers with 132W Continuous Wave Output Power”。

期刊号：Photonics 2024, 11(3), 258; 

原文链接：http://www.mdpi.com/2304-6732/11/3/258

1.引言

高功率宽条半导体激光器 (BALs) 已成为光纤和固态激光系统的主要泵浦源，广泛应用于工业领域，这要归功于其高的功率转换效率、高可靠性和低成本[1-17]。光纤激光器和固态激光器领域的快速发展,对更大输出功率和更高转换效率半导体激光器的需求不断增加。

在过去的20年里，关于功率和效率提升都已经取得了很大进展[7-13]。2008年，Petrescu-Prahova等人展示了具有100微米注入区宽度的BALs，在室温下实现了双端25.3 W的输出功率[14]。随后，2017年，V. Gapontsev等人报告了一种输出功率超过30W的BALs [15]。2022年，Yuxian Liu等人进一步提升输出功率，单管输出功率达到了48 W[16]。2023年，我们展示了工作在室温下、具有230微米注入区宽度的BALs，提供了51 W输出功率[17]。进一步重大进展必须建立在对功率和效率限制进行更详细的分析的基础上。

随着驱动电流的增加，所有激光器会出现功率饱和，以及量子效率的降低。其中重要的因素为，随着注入电流的增加而产生的焦耳热使得有源区的温度升高，增益展宽，峰值增益降低，从而限制了输出功率的进一步增加。为了解决这一问题，在我们隧道结技术[18]的基础上开发了双结激光器，最终实现了巨大提升。与传统器件相比，双结器件可以在更低的电流和更少的焦耳热下实现更大的输出功率。此前，多结技术已经取得了很大突破，并在短脉冲垂直腔面发射激光器（VCSELs）和激光雷达（LiDAR）系统中得到了广泛应用[19-23]。然而，多结技术在直流连续激光器中的应用受到了如热管理、侧向模式控制、多结失效以及光纤耦合等问题的限制，使得关于多结级联技术在直流连续激光器中的报告相对较少。

本文对双结GaAs基宽条半导体激光器（双结BALs）进行了全面的分析，特别突出它实现室温连续超高激光输出功率的能力。我们进行了双结BALs的电光模拟和设计研究。模拟结果显示，在室温下，双结BALs在相同输出功率下会减少焦耳热的产生。双结结构对器件中的热传递并没有显著影响。同时，我们以低内部损耗和热稳定性的单结器件为基础，制备了不同结数的高功率BALs，并精确比较了它们的输出特性。实验结果表明，双结BALs在室温，直流驱动下最高输出功率达到132.5 W，这是目前报道的最高功率。此外，相应的功率转换效率仍然保持在60%，峰值效率接近70%。与单结BALs相比，在同等输出功率下，双结BALs在输出腔面处的光功率密度降低了50%，显著提升了器件的可靠性。

2.模拟和设计

在图1a中，我们展示了双结BALs的外延结构。双结BALs由两个具有相同有源区、波导层和限制层的单结BALs通过GaAs隧道结级联而成。单结BALs的外延结构包括单个InGaAs/AlGaAs量子阱，AlGaAs波导层、n型AlGaAs限制层和p型AlGaAs限制层。为了清晰地展示结构细节，图1b描绘了单结BAL在外延方向上的折射率分布，以及基模分布。器件注入区宽度和腔长分别为500 μm和5.6 mm。前腔和后腔的反射率分别为1.5%和99%。我们使用Crosslight软件建立了仿真模型，采用一维载流子和光学模型，在仿真中没有考虑热效应。同时，使用室温下的单结BAL的实验数据对仿真模型进行校准。我们计算了单结和双结激光器结构的L-I-V特性、输出功率、转换效率，通过有限元法模拟了器件的温度特性。需要注意的是，在仿真中我们假设内部量子效率是恒定的。仿真结果如图2所示。图2a显示，如果保持注入区宽度不变，随着结数的增加，输出功率也会增加。假设有足够的散热能力，产生132W输出功率的注入电流从单结BAL的130.2A减少到双结BAL的60.8A。使用有限元法求解稳态热传导方程评估了结数对BALs散热的影响。图2d显示，随着热功率的增加，有源区的温度逐渐升高。由于双结在外延层中垂直级联，每个结与散热器的距离不同而具有不同的温度。离散热器最远的有源区温度最高。

Figure 2. 单结和双结BAL的输出特性数值模拟。(a) 随着结数的增加，对于相同的输出功率，所需的驱动电流呈线性减小。(b) 随着结数的增加，BAL的开启电压也呈线性增加。(c) 随着结数的增加，PCE峰值略微向更高功率移动。对于较大功率，双结器件的PCE增加。(d) BAL有源区温度与热功率的关系图。

3.结果与讨论

图3显示了单结和双结BALs的横截面扫描电子显微镜（SEM）图像。不同结数BALs的L-I-V结果如图4a、b所示。显然，随着电流的增加，输出功率几乎呈线性增加，并且在当前范围内没有观察到热翻转。如图4a所示，单结BAL的阈值为3.5 A，而双结BAL的阈值为3.4 A，显示出很小的差异。BAL的斜率效率和阈值电压与p-n结数成比例增加。双结BAL的斜率效率达到了2.30 W/A，阈值电压为2.6 V。对于相同的输出功率，较大的阈值电压和较低的电流是非常有利的，因为较低的电流意味着更小的焦耳热。当芯片工作在大电流注入时（阈值电流比例变得非常小，对光功率的影响可以忽略不计），双结器件的焦耳热可以减少50％，从而获得更大的输出功率。图4a显示，当单结BAL以最大功率81 W输出时，单结和双结器件产生的焦耳热分别为47.9 W和36.2 W，对应注入功率的37％和31.4％。同时，双结器件的光功率密度仅为0.081 W/μm，是单结器件的一半，因此显着提高了器件的可靠性。令人振奋的是，在保持热沉温度为25°C时，双结BAL的峰值功率在70 A电流下超过了132.5 W。据作者所知，这是迄今为止报道的单管BAL的最大输出功率。图4b说明，随着结数增加，峰值转换效率略有下降，从71.8％下降到69.3％。双结器件在较大输出功率时表现出较高的转换效率，100 W和132 W光功率输出时的转换效率分别为66.7％和60％。

Figure 3. (a) 单结BAL的横截面SEM图像和 (b) 双结BAL的横截面SEM图像。

Figure 4. (a) 不同结数的BAL的L-I-V结果。双结BAL在70 A电流，25°C热沉温度下的输出功率超过132.5 W。黑线：功率；蓝线：转换效率；红线：电压 (b) 不同结数BAL的功率转换效率与输出功率的关系。

我们利用光谱漂移法[24]评估了器件的结温特性，光谱漂移系数为0.32 nm/K。在图5a中，单结和双结器件的结温作为输出功率的函数进行呈现。当输出功率低于48 W时，单结器件表现出较低的温度。然而，随着输出功率的增加，温度迅速上升。相反，双结器件在较大电流下具有较低的结温，这与我们的模拟结果一致。外推预期单结器件输出功率达到132.5 W时，器件结温为89°C，比双结器件高30°C。较高的结温导致内部量子效率降低和内部损耗增加。因此，光功率逐渐饱和，如图4a中的L-I曲线所示。图5b显示了双结BAL在不同注入电流下的发射光谱。随着注入电流的增加，光谱明显变宽，特别是在60 A和70 A的注入电流下。这一结果归因于两个量子阱距离散热器的不同距离，导致QW-2的温度较QW-1略高，使得光谱峰值位置错开导致光谱展宽。同时，也包括每个量子阱载流子费米能级展宽导致的光谱展宽。光谱分析表明，在70 A电流下两个活性区域的峰值波长之间存在1.35 nm的差异，相应的温度差约为4.2°C，与我们的模拟结果一致。通过外延过程中增益峰值的蓝移可以抑制光谱的变宽。

Figure 5. (a) 不同结数的BAL的结温与输出功率关系。双结器件的温度低于单结器件。(b) 不同注入电流下双结BAL的发射光谱。

我们使用狭缝扫描法测试了双结BAL在61 A注入电流下的近场分布，如图6a所示。近场轮廓分布均匀，包含95％能量的宽度约为491.5μm。近场CCD图像和腔面的光学显微镜照片表明，近场宽度几乎与电流注入宽度相同。尽管QW-2中的电流有微小的扩展，但它并未延伸到刻蚀槽的边缘。这一结果证明了由隧道结引起的电流扩展可以忽略不计。在图6b中，显示了在61 A注入电流下的侧向和横向远场分布。包含95％能量的侧向远场发散角约为12.4°，而横向远场发散角约为51°。

Figure 6.(a) 61A注入电流下近场CCD图像，近场分布以及腔面显微镜照片。(b)61A注入电流下侧向及横向远场分布。

4.总结

我们比较了单结和双结BAL的输出特性。模拟结果表明，同等输出功率下，双结BAL在室温下具有接近减半的注入电流，从而减少了焦耳热的产生。因此，多结BAL提供了一种增加BAL输出功率的新方法。为了验证这一构想，我们制备了与模拟相同的BAL并对其输出特性进行了全面分析。结果表明，双结BAL在25°C热沉温度下实现了直流最大132.5 W的光功率输出。功率转换效率在100 W和132 W时分别为66.7%和60%。同时，光功率密度仅为单结BAL的一半，显着提高了BAL的可靠性。据我们所知，这一结果是半导体激光器领域报道的单管器件直流连续输出的最大功率。

参考文献

1.        Leisher, P.O.; Labrecque, M.; McClune, K.; Burke, E.; Renner, D.; Campbell, J. Origin of the longitudinal current crowding effect in high power diode lasers. In Proceedings of the 2021 27th International Semiconductor Laser Conference (ISLC), Potsdam, Germany, 10–14 October 2021. [M1] [武刘2] IEEE: New York, NY, USA, 2021; pp. 1–2.

2.        Arslan, S.; Wenzel, H.; Fricke, J.; Thies, A.; Ginolas, A.; Eppich, B.; Tränkle, G.; Crump, P. Experimental and theoretical studies into longitudinal spatial hole burning as a power limit in high-power diode lasers at 975 nm. Appl. Phys. Lett. 2023, 122, 261101.

3.        Arslan, S.; Swertfeger, R.B.; Fricke, J.; Ginolas, A.; Stölmacker, C.; Wenzel, H.; Crump, P.A.; Patra, S.K.; Deri, R.J.; Boisselle, M.C. Non-uniform longitudinal current density induced power saturation in GaAs-based high power diode lasers. Appl. Phys. Lett. 2020, 117, 203506.

4.        Todt, R.; Deubert, S.; Jaeggi, D. High-volume manufacturing of state-of-the-art high-power laser diodes on 6-inch GaAs. In Proceedings of the High-Power Diode Laser Technology XX, San Francisco, CA, USA, 22 January–28 February 2022; SPIE: Bellingham, WA, USA, 2022; Volume 11983, pp. 11–19.

5.        Wang, J.; Smith, B.; Xie, X.; Wang, X.; Burnham, G.T. High-efficiency diode lasers at high output power. Appl. Phys. Lett. 1999, 74, 1525–1527.

6.        Miah, M.J.; Strohmaier, S.; Urban, G.; Bimberg, D. Beam quality improvement of high-power semiconductor lasers using laterally inhomogeneous waveguides. Appl. Phys. Lett. 2018, 113, 221107.

7.        Boni, A.; Arslan, S.; Erbert, G.; Della Casa, P.; Martin, D.; Crump, P. Epitaxial design progress for high power, efficiency, and brightness in 970 nm broad area lasers. In Proceedings of the High-Power Diode Laser Technology XIX, Online, 6–12 March 2021; SPIE: Bellingham, WA, USA, 2021; Volume 11668, pp. 15–22.

8.        Campbell, J.; Labrecque, M.; Foong, F.; Renner, D.; Mashanovitch, M.; Leisher, P. Watt-class, COMD-free ridge waveguide lasers at 885 nm. In Proceedings of the 2021 27th International Semiconductor Laser Conference (ISLC), Potsdam, Germany, 10–14 October 2021; IEEE: New York, NY, USA, 2021; pp. 1–2.

9.        Crump, P.; Elattar, M.; Miah, M.J.; Ekterai, M.; Karow, M.M.; Martin, D.; Della Casa, P.; Maaßdorf, A.; McDougall, S.; Holly, C.; et al. Progress in experimental studies into the beam parameter product of GaAs-based high-power diode lasers. In Proceedings of the High-Power Diode Laser Technology XX, San Francisco, CA, USA, 22 January–28 February 2022; SPIE: Bellingham, WA, USA, 2022; Volume 11983, pp. 43–52.

10.     King, B.; Arslan, S.; Boni, A.; Basler, P.S.; Zink, C.; Della Casa, P.; Martin, D.; Thies, A.; Knigge, A.; Crump, P. GaAs-based wide-aperture single emitters with 68 W output power at 69% efficiency realized using a periodic buried-regrown-implant-structure. In Proceedings of the the European Conference on Lasers and Electro-Optics, Munich, Germany, 26–30 June 2023; Optica Publishing Group: [M3] [武刘4]  Washington, DC, USA 2023; p. cb_11_1.

11.     Wang, B.; Tan, S.; Zhou, L.; Zhang, Z.; Xiao, Y.; Liu, W.; Gou, Y.; Deng, G.; Wang, J. High Reliability 808nm Laser Diodes with Output Power Over 19W Under CW Operation. IEEE Photonics Technol. Lett. 2022, 34, 349–352.

12.     Miah, M.J.; Boni, A.; Martin, D.; Della Casa, P.; Crump, P. Highly asymmetric epitaxial designs for increased power and efficiency in kW-class gaas-based diode laser bars. In Proceedings of the 2021 27th International Semiconductor Laser Conference (ISLC), Potsdam, Germany, 10–14 October 2021; IEEE: New York, NY, USA, 2021; pp. 1–2.

13.     Crump, P.; Grimshaw, M.; Wang, J.; Dong, W.; Zhang, S.; Das, S.; Farmer, J.; DeVito, M.; Meng, L.S.; Brasseur, J.K.; et al. 85% power conversion efficiency 975-nm broad area diode lasers at −50 C, 76% at 10 C. In Proceedings of the 2006 Conference on Lasers and Electro-Optics and 2006 Quantum Electronics and Laser Science Conference, Long Beach, CA, USA, 21–26 May 2006; IEEE: New York, NY, USA, 2006; pp. 1–2.

14.     Petrescu-Prahova, I.B.; Modak, P.; Goutain, E.; Bambrick, D.; Silan, D.; Riordan, J.; Moritz, T.; Marsh, J.H. 253 mW/μm maximum power density from 9xx nm epitaxial laser structures with d/Γ greater than 1 μm. In Proceedings of the 2008 IEEE 21st International Semiconductor Laser Conference, Sorrento, Italy, 14–18 September 2008; IEEE: New York, NY, USA, 2008; pp. 135–136.

15.     Gapontsev, V.; Moshegov, N.; Berezin, I.; Komissarov, A.; Trubenko, P.; Miftakhutdinov, D.; Berishev, I.; Chuyanov, V.; Raisky, O.; Ovtchinnikov, A. Highly-efficient high-power pumps for fiber lasers. In Proceedings of the High-Power Diode Laser Technology XV, San Francisco, CA, USA, 28 January–2 February 2017; SPIE: Bellingham, WA, USA, 2017; Volume 10086, pp. 16–25.

16.     Liu, Y.; Yang, G.; Zhao, Y.; Tang, S.; Lan, Y.; Zhao, Y.; Demir, A. 48 W continuous-wave output from a high-efficiency single emitter laser diode at 915 nm. IEEE Photonics Technol. Lett. 2022, 34, 1218–1221.

17.     Tan, S.; Liu, W.; Wang, B.; Zhao, W.; Wang, J. Lateral brightness improvement of high-power semiconductor laser diode. In Proceedings of the High-Power Diode Laser Technology XXI, San Francisco, CA, USA, 28 January–3 February 2023; SPIE: Bellingham, WA, USA, 2023; Volume 12403, pp. 223–228.

18.     Gou, Y.; Wang, H.; Wang, J.; Yang, H.; Deng, G. High performance p++-AlGaAs/n++-InGaP tunnel junctions for ultra-high concentration photovoltaics. Opt. Express 2022, 30, 23763–23770.

19.     Aboujja, S.; Chu, D.; Bean, D. 1550nm triple junction laser diode for long range LiDAR. In Proceedings of the High-Power Diode Laser Technology XX, San Francisco, CA, USA, 22 January–28 February 2022; SPIE: Bellingham, WA, USA, 2022; Volume 11983, pp. 196–207.

20.     Ammouri, N.; Christopher, H.; Maassdorf, A.; Fricke, J.; Ginolas, A.; Liero, A.; Wenzel, H.; Knigge, A.; Traenkle, G. Distributed feedback broad area lasers with multiple epitaxially stacked active regions and tunnel junctions. Opt. Lett. 2023, 48, 6520–6523.

21.     Choi, A.; Park, J.; Lee, J.; Kim, Y.; Kim, T. 905nm 140W pulse laser diode with 4Stack epitaxy structure for autonomous lidar. In Proceedings of the High-Power Diode Laser Technology XXI, San Francisco, CA, USA, 28 January–3 February 2023; SPIE: Bellingham, WA, USA, 2023; Volume 12403, pp. 37–43.

22.     Wenzel, H.; Maaßdorf, A.; Zink, C.; Martin, D.; Weyers, M.; Knigge, A. Novel 900 nm diode lasers with epitaxially stacked multiple active regions and tunnel junctions. Electron. Lett. 2021, 57, 445–447.

23.     Xiao, Y.; Wang, J.; Liu, H.; Miao, P.; Gou, Y.; Zhang, Z.; Deng, G.; Zhou, S. Multi-junction cascaded vertical-cavity surface-emitting laser with a high power conversion efficiency of 74%. Light. Sci. Appl. 2024, 13, 60.

24.     Siegal, B. Laser diode junction temperature measurement alternatives: An overview. In Proceedings of the PhoPack, Stanford, CA, USA, 14 16 July 2002.

 [M1]Newly added information. Please confirm. The following highlights are the same.