1 引 言
半导体激光器具有结构体积紧凑、电光转化效率高、激射波长范围广等优势，在光通信、激光加工、激光测距、生物医疗设备等方面具有广泛的应用。而锥形半导体激光放大器可对单模种子光源进行功率放大，输出功率高且不影响光束质量，主要有外腔注入和单片集成两种方式。外腔结构是指光源从外腔半导体激光器( ExternalCavity Diode Lasers，ECDL) 发出，进而导入到锥形放大器芯片进行放大，但该结构具有体积大、结构复杂、需增益匹配等缺点。其中采用单片集成主振荡器的锥形半导体激光器是一种比较有发展前景的高光束质量激光器光源结构。随着半导体激光器应用水平的提高，锥形半导体激光器研究工作日益得到重视。相较于其他结构类型的高亮度半导体激光器，锥形半导体激光器因具有结构相对简单、制作成本低的优势被广泛应用，是国内外激光技术的研究热点之一。
按照锥形半导体激光器结构分类，目前研究较多的主要有 3 种: ( 1) 传统结构锥形激光器: 即只有脊型主振荡器( Main oscillator，MO) 和锥形放大器( Power Amplifier，PA) 两部分组成。( 2) DBＲ锥形激光器: 即在脊型主振荡器后端刻蚀 DBＲ 光 栅。( 3) 侧向光栅条纹锥形激光器: 即在脊型主振荡器或结构样貌两侧表面刻蚀光栅条纹。
2 锥形半导体激光器研究进展
锥形半导体激光器主要由脊型主振荡器( M0) 和锥形光放大器 ( PA) 两部 分 组 成。如图1所示，前者脊型主振荡器通过折射率导引机制提供单模、小功率的种子光注入，后者锥形放大器通过增益导引机制对单模种子光注入进行放大，而不会产生高阶模激射，达到高功率、高光束质量的目的。从 20 世纪 90 年*开代**始国内外研究组对锥形半导体激光器进行了广泛而深入的研究，目前理论研究和工艺方面均具有一定的进展和突破。具有代表性的机构有德国FBH研究所(Ferdinand-Braun-Institut) 、中科院北京半导体所、中科院长*光春**机所、中科院上海微系统与信息技术研究所等。
2.1 传统锥形半导体激光器
相较于条形半导体激光器，锥形激光器在大功率输出的条件下，具有更高的光束质量。2011年，中科院长*光春**机所杨晔等人对比 850 nm锥形激光器和传统条形激光器的光学特性。其中锥形激光器外加3A的脉冲电流时，峰值功率达到1.40W，斜率效率为 0.58 W /A，电光转换效率为 30%。在端面出光面积相同的条件下，输出功率同为 1 W 时，锥形激光器的发散角、M2因子、亮度分别为 4°、2.8 和 9.9 MW·cm^－2sr^－1，性能远优于条形激光器的 6°、9.2 和 3.0 MW·cm^－2sr^－1。
温度是影响大功率半导体激光器性能的重要原因。2013年，黄海华等人研究了相同外延结构 850 nm 锥形激光器和条形激光器的温度特性，如图 2 所示。锥形和条形激光器特征温度分别为 164 K 和 96 K。这是由于锥形激光器的脊型区和锥形区条宽都要小于条形激光器，同时，锥形器件较深的腐蚀深度对注入电流的侧向扩散有限制作用，使得锥形器件特征温度显著提高。温度在 20 ～ 70 ℃ 时，随着温度的升高，锥形器件的功率由 0. 97 W 下降到 0. 70 W。在温度≤50 ℃ 条件下，锥形器件的光谱比条形的窄。
传统锥形半导体激光器由两部分组成，且各部分工作机理明确。电极蒸镀时也会存在分离电极和共用电极两种方式。
2007年，李璟等人制备了国内首个分离电极的980nm传统锥形激光器。当脊形波导区的电流逐渐超过150 mA以后，器件的最大输出功率逐渐达到 4. 28 W，并趋于饱和。与共用电极的 980 nm 锥形激光器相同。但功率大于 1. 5 W时，共用电极光束质量 M2因子恶化严重，如图 3所示。这是由于较大的电流会使其脊形波导区激励出高阶侧模，因此锥形区输入光的光束质量下降，表现为锥形区输出光的 M2因子较大。
2009 年，P．Adamiec 等人制备了分离电极的645nm锥形激光器。采用 AlN 热沉，连续电流工作下获得了500mW最大功率输出，M2因子＜1.1，脊型区电流调制效率为 7.5 W /A。
2009 年，N．Michel 等人制备了分离电极的1060nm 锥形激光器。器件输出功率为 3 W 时， M2因子为 3.7，脊型区电流调制效率为50 W /A。
光限制因子是影响锥形半导体激光器光束质量的重要参数，具有较小的光限制因子 Γ的层结构可有效避免器件的自聚焦特性和丝状发光。采用大光腔( Large Optical Cavity，LOC) 波导和非对称结构设计均能降低器件的光限制因子 Γ 的数值。
2006 年，F．Dittmar 等人采用 LOC 结构，通过增加波导层总厚度以降低光限制因子。同时实验对比了前腔面反射率大小与M2因子的关系，结果显示反射率 Ｒf = 0.1%时相对于 Ｒf = 1%的 M2因 子降低了约 15%。表明前腔面膜反射率越小，器件的光束质量越好。这是由于激光在锥形激光器谐振腔中只传播一个周期就可输出，增透膜可减小由前腔面反射回波导中的光强，避免产生高阶模，影响器件光束质量。在功率为 3.9 W 时，M2 因子为 1.3，亮度为 460 MW·cm^－2sr^－1。当最大输出功率为 4. 4 W 时，仍保持近极限衍射的光束质量。
2007 年，J．M．G． Tijero 等人研究了非对称波导结构对锥形激光器亮度和光束质量的影响，如图 4 所示。与对称波导结构( 图 4 中 Exp．▲) 相对比，当光束质量因子M2相同时，#75 /25(波导层厚度百分比) 层结构的功率提升了约 3 倍。究其原因是随着上下波导层厚度比例的增大，一方面，导致器件 M2因子恶化的功率节点变大; 另一方面，高功率输出下丝状发光现象得到抑制。这主要是由于非对称结构光限制因子 Γ 减小导致有源层光子密度分布相对平缓，光子浓度过于集中而造成的空间烧孔效应( Spatial HoleBurning，SHB) 和自聚焦效应会减弱。
2016年，Ma．X等人制备了如图5所示的10对交替Al0.1Ga0.9As/Al0.25Ga0.75As光子晶体层结构的锥形激光器。如图6所示，该结构将基横模光限制因子扩大到高阶横模光限制因子的3.5倍，减小了高阶横模与基横模的模式竞争，从而具有较小较稳定的横向发散角，垂直发散角始终＜16°。器件电流逐渐增大过程中，横向和垂直方向上发散角大小均只有较小改变，其中快轴方向 M2因子保持相对稳定，约为 1.43。器件功率为 3 W 时，端面发生了烧毁现象，但为当时980 nm光子晶体半导体激光器所能达到的最大输出功率。
随着锥形半导体激光器研究的深入，发现: 锥形增益区角度是影响激光器器件光电特性的重要结构参数。
2017 年，S.S.Huang 等人制备 了 波 长 为2 μm的低横向发散角 GaSb 基锥形激光器。对比分析了相同腔长长度下，直波导、1°、3°、6°锥角的光电特性，如图 7 所示。由于 6°锥角的锥形区面积较大，单模种子光在锥区的增益特性效果明显，会具有相对较大的功率输出; 但在较小的 1°锥角条件下，单模种子光进入到锥形区时衍射强度分布相对平缓，器件远场光斑模式特性相对稳定。1°锥角器件的端面出光孔尺寸要远大于直波导，在输出功率为 160 mW 时，1°锥角的远场横向发散角半高全宽( Full Width Half Maximum，FWHM) 为 8. 5°，要远优于直波导的 13. 3°。
2013 年，Y． F． Li 等人制备了波长频率为2. 9 THz 的太赫兹量子级联锥形激光器。为了抑制高阶模对光束质量的影响，在锥形区两侧边缘各留出 20 μm 宽未镀电极区，制作并探究了如图 8所示的 4 个不同锥角器件的光电特性。在10 K环境温度下，锥角为5°的器件获得了最大的输出功率和最小的远场横向发散角FWHM，约为58. 2 mW 和 19. 05°。表明在设计锥形激光器结构时，锥角大小存在最优值。而当锥角大小超过最优值时，锥形区的自聚焦效应会导致器件的最大输出功率逐渐减小，发散角逐渐增大。
2015年，徐天鸿等人通过建立准三维的太赫兹有源器件仿真模型，研究了锥形激光器锥角大小对激光器输出功率和光束质量的影响。结果再次表明: 针对特定的层结构，锥形太赫兹量子级联激光器的锥角在设计过程中存在一个最优值，可使器件输出功率最大，光束质量最优。在器件实际制作时，锥角大小需要根据外延芯片层结构进行优化设计。
2.2 DBＲ 锥形激光器
传统锥形激光器和条形激光器一样面临着光谱线宽较大的问题，通常在脊型主振荡器后端刻蚀 DBＲ 光栅结构是解决该问题的有效手段。后期研究者发现，DBＲ 光栅不仅起选模压缩线宽的作用，同时也会对器件内部的高阶侧模进行抑制，从而进一步提升了器件光束质量。
在 DBＲ 锥形激光器理论分析方面。2013年，S．N．K．Nyirenda 等人对比分析了 DBＲ 锥形激光器和传统锥形激光器光束质量特性，如图 9所示。首次阐述了 DBＲ 锥形激光器中光栅条纹对光场模式具有优化作用，并分析了 IＲW 大小对光束质量的影响。同时探究了影响锥形激光器光束质量的主要因素:前腔面膜反射率。为了减小前腔面增透膜反射回腔内部的光强对光束质量产生干扰，应尽可能降低前腔面膜增透膜的反射率以及锥角大小。提升功率的基础上尽可能地优化光束质量，锥角的大小应与脊型主振荡器注入光源的自由衍射角相匹配，不应过大。
一般 DBＲ 光栅的反射率与光栅阶数呈反比，但影响深刻蚀光栅条纹的反射率的主要因素是占空比，占空比越大反射率越高，通常占空比＞0.8时反射率＞20%。2008 年，K．H．Halser 等人制备了如图 10 所示的 1060 nm 窄线宽 DBＲ 锥形半导体激光器。该器件采用三量子阱的超大光腔波导结构。为了降低工艺难度，在1 mm长的 DBＲ端刻蚀 6 阶光栅条纹，当占空比为 0. 84 时 DBＲ端反射率约为 30%。器件 IＲW = 300 mA，输出功率为5 W时，获得了 40 pm 的窄线宽光谱和光束质量 M2 = 2 的近极限衍射光束。
2014 年，同研究所的 B．Sumpf 等人再次制备了 6 阶光栅条纹的 1060 nm 的锥形半导体激光器，器件性能得到进一步提升。该激光器采用与器件相同的外延片，但主要在两方面进行了优化设计。将前腔面反射率由 1%降到 0. 5%，后腔面反射率由 0. 1%降到 0. 05%，进一步降低高阶侧模从腔面两端反射回腔内对光束质量的影响; 锥形区长度由 2 mm 增大为 4 mm。1 mm DBＲ端同样采用 6 阶光栅条纹，通过增大 DBＲ 端光栅占空比和剩余深度，将 DBＲ 端反射率由 30%增大到 60%。当器件 IＲW = 300 mA，输出功率为10 W时，获得了30 pm的窄线宽光谱和光束质量M2 = 1. 2的近极限衍射光束。
通过优化光栅条纹占空比和刻蚀深度以及前后腔面膜反射率可进一步提升器件性能。2016年，A．Muller等人制备了发射波长为1030 nm的DBＲ锥形半导体激光器，其结构如图11所示。该激光器采用三量子阱非对称超大光腔层结构( Asymmetric Superlarge Large Optical Cavity，ASLOC) 。1 mm DBＲ 端采用 3 阶光栅条纹，其对1 030 nm 波长达到了 94%的衍射效率。器件前腔面和后腔面反射率分别为 0. 4%和 0. 08%，后腔面反射率较低是为了降低 ＲW 两侧高阶侧模反射回腔内对光束质量的影响。在环境温度 15 ℃下，器件获得了 12. 7 W 的输出功率和 17 pm 线 宽。在输出功率为 10. 5 W 时，近极限衍射光束质量因子 M2 = 1. 1，亮度为 700 MW·cm－2sr－1。
次年，A．Muller 等人再次制备了1030nm的DBＲ锥形半导体激光器。与 2016 年制备的器件相比，器件的模式增益Γg0和内量子效率得到了提升，内损耗降低到约为 2016 年制备的器件的一半。该器件 DBＲ 端为 7 阶光栅条纹，通过模拟优化光栅条纹占空比和刻蚀深度，得到了约 95%的衍射效率。在 ＲW 两侧进行离子注入以抑制高阶模传播。在器件前后腔面膜反射率分别为 0. 1% 和 0. 03%。在环境温度 15 ℃ 下， IＲW = 900 mA，Itap = 20 A 时，输出功率为 16 W，线宽为 22 pm。在输出功率为 14. 5 W 时，近极限衍射光束质量因子 M2 = 1. 2。进一步提升了1030 nm锥形半导体激光器的工作特性。
2017 年，A．Muller 等人针对 1030 nm DBＲ锥形激光器的 DBＲ 光栅端设计了 2 种结构器件。如图 12 所示，设计 2 是将 DBＲ 光栅端按 0. 36°从 4 μm 扩宽到 10 μm，相比于设计 1 扩宽了 DBＲ光栅条纹，设计 3 是将脊型波导后段扩宽到 10μm 再刻蚀 DBＲ 光栅条纹。通过对比分析 3 种不同结构脊型主振荡器电流密度 jＲW的近场光强分布、M21/ e因子和中心光斑功率百分比发现，相比于设计3，设计2的 DBＲ 光栅条纹对器件内部的高阶侧模的抑制效果更好。该实验表明通过优化设计 DBＲ 光栅端可以进一步提升器件特性。
2015 年，K．Paschke 等人制备了发射波长为 1180 nm 的 DBＲ 锥形半导体激光器( 如图 13 所 示)。该器件 DBＲ 采用 3 阶光栅条纹，提升了DBＲ 光栅端的光耦合衍射效率，并通过优化光栅条纹占空比和刻蚀深度，使DBＲ端对1180 nm波长的反射率达到约 70%。器件最大输出功率约为 4 W，当IＲW = 200 mA，输出功率为 2 W 时，获得了 10 pm 的窄线宽光谱，边模抑制比为 40 db，亮 度 为 32 MW · cm^－2 sr^－1，此亮度值为当时1180 nm波长器件最高值。同时在光栅条纹两侧集成热电极用于波长可调谐，如图13所示。当热电极工作到～ 500 mA 时，器件激射波长从1176. 2 nm调谐到 1178. 5 nm，对光束质量和光谱特性并未有影响。
由于 DBＲ 锥形半导体激光器的关键结构为DBＲ 光栅，而现有的光刻技术中软模紫外纳米压印光刻( soft-UV-NIL) 的成本相对较低，同时该技术能实现较复杂的 DBＲ 光栅结构刻蚀。
2015 年，J．Viheriala 等研究者第一次实现了基于 soft-UV-NIL 技术的 DBＲ 锥形半导体激光器制备。该器件在最大输出功率状态时，仍具有～ 45 dB 的边模抑制比，表明通过 soft-UV-NIL 技术刻蚀的光栅条纹较理想。
2.3 侧向光栅条纹锥形激光器
制备 DBＲ 锥形激光器，需采用套刻工艺，而多次套刻一般会导致器件结构精度与预期设计产生误差，从而影响器件的特性。同时器件制备整套工艺较为复杂，不利于器件量产实用化。后期研究者发现，在脊型主振荡器或结构样貌两侧刻蚀光栅条纹同样能达到与 DBＲ 相同的作用，并具有相对更优的高阶模过滤作用，工艺步骤简单。
2014 年，中科院北京半导体所 L．Liu 等人制备了波长为 913 nm 的侧向光栅条纹的双锥形半导体激光器( 如图 14 所示) 。该器件在 ＲW 两侧刻蚀 23 阶侧向光栅条纹，周期为 3. 05 μm，占空比为 0. 5。光栅条纹一方面使器件单纵模输出，另一方面抑制 ＲW 两侧的高阶侧模，从而提高光束质量。该器件获得了 913 nm 单纵模输出和27 dB 的边模抑制比，光谱线宽为 0. 16 nm，远优于直波导结构的多纵模输出和 0. 9 nm 的光谱线宽。器 件 阈 值 电 流 为 160 mA，斜 率 效 率 为0. 23 W /A，单面输出功率为 565 mW。
2016 年，中科院上海微系统与信息技术研究所的 C． Yao 等人制备了波长频率为 3. 4 THz的侧壁光栅条纹量子级联锥形半导体激光器，如 图 15 所示。该器件利用侧向光栅结构的选模特性，在脊型主振荡器两侧壁刻蚀光栅条纹，脊长包含 80 个占空比为 0. 5 的 1 阶侧向光栅条纹周期。为获得单横模输出，WW和 WN分别为120μm 和100 μm。器件在达到翻转电流之前，波长边模抑制比 始 终 ＞20 dB。10 K温度条件下，获得了30 mW功率。
光栅材料除了采用半导体材料以外，还可以采用金属材料，由于金属与半导体界面能够产生等离子体，可以提高斜率效率和输出功率，并改善光束质量。
2010 年，韩国光州科学技术院的 Yeo C． I．等人第一次制备了全表面侧向金属光栅的1.3μm波长锥形半导体激光器。该器件首先通过等离子体气相沉积( Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition ，PECVD) 500 nm 的 SiO2作为刻蚀掩模，再通过相关工艺刻蚀出锥形结构样貌，全息曝光技术显影出 363. 8 nm 周期的二阶光栅条纹。为了更好地生成金属光栅条纹先沉积一层金属 Ti，最后再沉积 30nm 厚的金属 Cr。如图 16所示，金属 Cr 最终被嵌入绝缘层 SiO2中，形成侧向金属光栅条纹。该器件在 0 ～ 150 mA 工作电流下，具有 ～ 42 dB 的边模抑制比，保持良好的单纵模稳定性，dλ / dT = 0. 071 nm /K。单面输出功率为5 mW。
2017 年，S．Becker等人制备了脊型主振荡器侧向金属光栅条纹的 GaSb 基带间级联锥形激光器。若直接在 GaSb 基外延片采用如图 14 或图15 所示的侧壁光栅条纹，光栅刻蚀工艺难度大，器件的单纵模特性效果并不理想。而在脊型主振荡器两侧制备镀铬金属光栅条纹可以有效解决这两方面问题。该器件制备工艺和文献研制的器件大体相同，只在脊型主振荡器两侧刻蚀了金属光栅。由图17所示，在热沉温度 25 ～55 ℃条件下，该器件的边模抑制比始终＞ 25 dB，具有约 14 nm 的温度波长可调谐。25 ℃ 条件下，输出功率为 35 mW。
2017 年，中科院半导体所的 Z．W．Jia 等人制备了掩埋式采样光栅结构的分布反馈锥形量子级联半导体激光器( SBG-DFB QCLs) 。一方面，通过采用掩埋式采样光栅提高光场耦合强度和降低光损耗，从而减小器件阈值电流强度; 另一方面，光场与采样光栅的适度耦合特性可提升器件输出功率。实验对比分析了7μm( 1#) 、8 μm( 2 #) 、10 μm( 3#) 、14 μm( 4#) 采样光栅周期的锥形QCLs 光电特性，其中 1#器件在 4 种锥形结构中具有相对最小的阈值电流和最大的输出功率，同时 4 种锥形结构器件均具有比直波导结构大的输出功率。
3 锥形半导体激光器展望
国外锥形半导体激光器研究起步较早，受制于相关工艺设备和工艺水平的限制，国内研究起步晚，器件性能较国外具有较大差距。尤其是在DBＲ 锥形半导体激光器方面，国外无论是在输出功率还是光束质量方面均具有较高水平，而国内该结构器件几乎无相关报道。同时研究表明侧向光栅条纹锥形激光器在 3 结构中具有更优的光束质量特性，工艺也相对简单，但主要面临器件功率相对偏低的问题。因此进一步提升侧向光栅条纹锥形激光器的输出功率是国内外研究的热点之一，国内研究者在该领域已经开展了相关的研究并取得了一定的成果，但器件性能仍有较大的提升空间。另一方面，由于光栅设计是光栅类型锥形半导体激光器的关键，但现阶段光栅刻蚀工艺仍存在一定的难度，工艺简单、特性优良的新颖光栅结构设计也是锥形半导体激光器研究热点之 一。3 种锥形半导体激光器的性能汇总见表 1。
4 结束语
由于锥形增益区对单模种子光源具有功率放大的作用，后期研究者针对各种锥形半导体激光器的结构进行了优化设计，逐步提升了锥形激光器的特性。研究表明，抑制器件内部高阶侧模是高亮度锥形半导体激光器研究中需要解决的问题之一。本文从传统锥形激光器、DBＲ 锥形激光器、侧向光栅条纹锥形激光器 3 种结构出发，回顾了锥形半导体激光器的研究进展，并进行了简单的分析。锥形半导体激光器要走向大规模生产主要面临着制备工艺的精准与简化。相信在不久的将来，随着激光技术与制备工艺的完善，实现各波长段高亮度锥形半导体激光器的量产会成为必然。