摘要：

近日，南京大学第三代半导体与高能效器件重点实验室庄喆、刘斌团队提出一种无需p-GaN二次外延的单片横向耦合表面光栅架构，将高阶布拉格光栅集成在传统氮化镓法布里-珀罗（Fabry-Pérot，FP）激光器的脊波导侧面。在保留原生FP腔高增益腔面设计的同时，利用光栅段提供波长选择性分布反馈，实现了从紫光、蓝光、青光到绿光的稳定单纵模输出。优化后的蓝光器件工作在450.2 nm，边模抑制比达到34 dB，连续波单模输出功率达到41 mW。相关成果以“Universal Lateral Surface-Grating Architecture for Violet-to-Green Single-Mode Lasers”为题发表于《Laser & Photonics Reviews》（DOI：10.1002/lpor.71498）。

研究背景：

可见光单纵模半导体激光器能够显著提高光谱纯度，并为获得良好的时间相干性提供基础，是光学原子钟、高密度全息存储、以及高速水下光通信等前沿技术的重要光源。当前，可见光激光二极管主要基于III族氮化物材料和FP腔结构。传统FP激光器能够提供较高输出功率，但通常同时支持多个纵模，光谱展宽明显，难以满足精密测量和相干应用对单频输出的要求。在近红外InP和GaAs材料体系中，分布反馈（DFB）激光器通常通过埋入式光栅实现单模选频。然而，这一方案在氮化镓材料体系中容易引入界面污染和晶格失配缺陷，会增加辐射与散射损耗，抬高激射阈值。因此，如何在保证低损耗腔体和高效电流注入结构的前提下，引入纵模选择能力，是实现高功率可见光单模激光器的关键。

研究成果概况：

针对上述难题，南京大学团队提出“低损耗FP主腔提供基础反馈、横向耦合光栅承担波长选择”的复合腔设计。器件在完整脊波导两侧加工五阶横向耦合布拉格光栅，利用导模的横向倏逝场形成周期性折射率调制，既可为目标纵模提供选择性分布反馈，又避免直接刻蚀脊顶电极和InGaN/GaN多量子阱有源区。研究中采用60周期、周期为463 nm、总长度约27.8 μm的短光栅，在保留FP腔低阈值特性的同时提高有效选模能力。

团队进一步建立了三维本征模展开与全腔传输矩阵联合模型，系统分析光栅刻蚀深度对反射率、耦合系数和纵模阈值增益的影响。仿真表明，器件性能并非随光栅耦合强度单调提升，而需要在“足够的选模反馈”和“可接受的光电损耗”之间取得平衡。

为确定最佳加工窗口，团队制备了约100、150、200和300 nm四种刻蚀深度的器件。测试结果显示，当光栅位于p型包层或p型波导内时，器件串联电阻和反向漏电基本保持稳定；当刻蚀穿入多量子阱有源区后，反向漏电增加约五个数量级，并伴随明显的阈值升高和斜率效率下降。约200 nm深的光栅进入p型波导中部，在不损伤有源区的前提下获得了最优综合性能：阈值电流密度约1.21 kA/cm²，斜率效率约0.9 W/A，峰值边模抑制比达到34 dB，连续波单模输出功率达到41 mW。团队将同一横向表面光栅方法推广到不同波段的商用FP激光器。紫光、蓝光、青光和绿光器件分别在404.5、450.2、483.6和518.7 nm实现单纵模激射，在1.2倍阈值电流下的边模抑制比分别达到30、34、33.5和27.7 dB；对应的最大单模输出功率分别为13、41、25和12 mW。该结果表明，这一结构并非针对单一波长的特例，而是一种可覆盖紫光至绿光波段的普适单模化方案。

该工作提供了一条基于成熟FP激光器平台的低复杂度升级路径：无需重构完整DFB腔，也无需进行p-GaN二次外延；通过局部横向光栅实现纵模筛选，并兼顾较低阈值、较高功率和良好的电流注入特性。未来，通过针对不同波段优化光栅周期、刻蚀深度、位置及横向模式匹配，有望进一步提升单模功率和工作电流范围，为精密原子光学、水下光通信及可见光集成光子系统提供紧凑高效光源。

论文信息：

  论文第一作者为南京大学电子科学与工程学院博士后许非凡，通讯作者为南京大学集成电路学院庄喆副教授和电子科学与工程学院刘斌教授。论文得到团队张荣院士等多位老师的共同指导和帮助。研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中央高校基本科研业务费、中国博士后科学基金、江苏省卓越博士后计划、固体照明与节能电子学协同创新中心、江苏省第三代半导体与高能效器件重点实验室等项目和平台的支持。

图1横向表面光栅单模激光器架构及其在紫光、蓝光和绿光激光器中的单模输出性能