基于GaN的半导体光学放大器SOA

摘要

基于GaN的材料可覆盖很宽的光谱范围，以紫外、紫、蓝、绿和红波发射的激光二极管已经商业化。基于GaN的半导体光学放大器（SOA）具有提高激光二极管输出功率的能力，因此SOA将有很多潜在应用。未来需要利用短波、超快脉冲特性的应用，包括微加工、矫正光学和下一代光存储等将可以从基于GaN的SOA中获益最多，当前超快脉冲光源还依赖于大型、昂贵的固态激光器。当与锁模激光二极管一起使用时，基于GaN的 SOA可以产生高能量、高峰值功率的光脉冲。在本文中，讨论了这些器件的基本特性，专注于脉冲放大，并介绍了早期的实验工作以及最新成果，改进了SOA 设计，以生成更高的光学脉冲能量。

关键词

氮化镓GaN，半导体光学放大器SOA，光脉冲产生

1.简介

在过去的二十年里，基于氮化镓（GaN）的光电子器件比较热门。其中一些应用，如发光二极管（LED）和紫外（UV），蓝紫、蓝和绿激光器（LD）已经商业化，对固态照明、高容量光学存储（如蓝光光盘）和显示单元等日常生活产生了巨大影响。基于GaN的材料AlGaInN可覆盖特别宽的光谱范围，从深紫外（UV）到红外（IR）。已经有波长短至 210nm的LED报道[1]。就LD而言，已通过对GaN或AlGaN量子阱进行电泵浦[2,3]获得了330-350nm激光。此外，Frost等人报告了InGaN/GaN量子点激光器[4]在光谱的红光区（630nm）中以较长的波长进行激光。事实上，许多研究人员有专注于此表明了基GaN的光电子器件的巨大潜力。然而，缺少一个重要的器件：半导体光放大器（SOA）。

SOA是光通信系统的重要组成部分，自20世纪60年代发明以来，已经发表了许多关于此类器件的报告。SOA的主要优势之一芯片化，易于集成。SOA可以用作前置放大器或功率放大器，也可以利用其非线性的波长转换器或光开关[5，6]。SOA也可以作为增益介质与饱和吸收器一起产生短光脉冲[7]。在高峰值功率应用中，如双光子生物成像，SOA 可用于放大锁模激光器（MLLD）产生的短光脉冲[8，9]。

高峰值功率和超短光脉冲有许多独特的应用，其中许多利用了第4节中详细讨论的多光子过程。然而，大多数脉冲源由大型、笨重的固态激光器组成例如锁模的钛蓝宝石（Ti:Sap）激光器。此外，为了在近紫外波长下产生光学脉冲，大多数可用的脉冲源都需要波长转换，因此需要红外脉冲的二阶或三阶谐波。这意味着获得紫外线脉冲需要更复杂的激光系统。光纤激光器是固态激光器的替代品，其具有占地面积更小的优势。然而，波长转换的要求是一样的，因为这些设备只能产生红外波长的光子。这种波长转换系统有许多缺点：占地面积更大，需要精确调校，低转换效率，系统的复杂，通常会高成本和长稳定时间。由于所有这些原因，直接生成紫外线脉冲是非常有益的，而基于GaN的SOA是直接产生短波长光脉冲的关键器件。

如前所述，基于 GaN 的器件可能会产生非常宽范围的光子（光谱从深紫外到的红光）。这种器件中的光脉冲由Nakamura教授使用自脉动激光器（SPLD）[10]生成于1997年，其是2014年诺贝尔获奖者。从那时起，许多小组开始探索基于GaN的激光器，目的是产生光脉冲。因为这种方法可以减少光反馈噪声，早期研究集中在自脉冲在光存储上的应用 [1-14]。存在几种脉冲生成技术，包括增益切换[1-17]、自脉冲[18-20]、锁模[7、17、21]和超辐射[22]。Kono 等人第一次采用基于GaN激光器的增益切换（GS），产生了405nm，峰值功率12W和10W的10ps脉冲[15，17]。Kuramoto等人后来通过优化 LD中的电阻断层，将峰值功率提高到55 W[16]。SPLD 也被探索了在高峰值功率光源[18，20，23]中的应用，包括峰值功率为2.4W，双段激光器[18]，10W和0.6W的三段直波导激光器[19，20]，以及 20 W和10W，三段领结结构激光器[23，24]。锁模是产生光脉冲的另一种手段，Gee和Bowers首次公布了使用基于GaN的SOA作为增益介质[7]。Saito 还演示了一种外腔无源锁模激光器（MLLD），能产生3ps脉冲和0.2W峰值功率的双段波导结构[25]。Oki 等人通过优化有源区将峰值功率提高到3W[26]，后来通过使用耀斑波导结构[21]将峰值功率提高到20W。减少脉冲持续时间对提高峰值功率很重要，Kono等人使用色散补偿外腔和光谱滤波器产生了200fs脉冲[27]。为了进一步提高峰值功率和脉冲能量，SOA是必不可少的。SOA可用于在主振功率放大器（MOPA）中提高 LD的输出功率。我们组之前开发了基于 GaN的 SOA，旨在提高脉冲能量和峰值功率。2010年，将MLLD与SOA[28]结合使用，产生了超过100W峰值功率，脉冲能量约为330pJ的脉冲，后来提高到约300W和590pJ[29]。最近，一个开发了包含宽耀斑波导结构的SOA，峰值功率和脉冲能量进一步提高到630W和2.2nJ [30]。我们将已发布的基于GaN的器件的脉冲特性总结在图1和表1中（请注意，由于没有脉冲时间，早期对 SPLD 的研究被排除在这些摘要之外）。可以清楚地看到，使用 SOA 显著提高了峰值功率和脉冲能量。

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图 1 基于GaN 器件的峰值功率与脉冲时间。每个圆的大小表示光脉冲能量。使用 SOA 可以有效地增加峰值功率和脉冲能量。请注意，对于那些用虚线圆表示的数据点，为了显示需要，脉冲能量放大了10倍。

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2.连续光放大特性

本节回顾了基于GaN的SOA的基本特征。

2.1 基本结构

通常SOA有两种类型：法泊SOA和行波SOA。法泊SOA的端面具有非零反射率，因此信号光通过多次往返通过放大器时被放大。相比之下，行波SOA的端面反射率可以忽略不计，信号光单次通过增益介质。行波SOA使用起来更简单，因此本章仅讨论行波SOA。我们本章将讨论基于GaN的SOA，其具有由金属有机化学气相沉积（MOCVD）在n-GaN衬底上生长的Ga0.92In0.08N量子阱和Ga0.98In0.02N垒组成的双量子阱结构。图2显示了SOA的层结构。在行波SOA中，应尽量减少面反射率，图3中为长度为1mm的脊波导结构，包括直波导（图3（a）），和角度为5°的斜波导两种（图3（b）），均有抗反射（AR）镀膜。由于非零反射率，直波导表现出显著的共振和多纵模，这在SOA中都是不可接收的。斜波导的形成有效地减少了来自端面反射，从而达到了抑制共振的效果。

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公式中h是普朗克常数，v是信号光频率，d和w分别是有源区的厚度和宽度，Γ是光学限制因子，a是差分增益，t是载体的寿命。公式（1）说明，更大的有源区域横截面、更低的光学限制因子、更低的差分增益和更短的载波寿命对应更高饱和功率。然而，输出功率与器件长度无关。公式（1）可以定性地解释，储在器件中能量综合对于SOA的更高输出很重要。

使用图4所示的SOA评估SOA的基本放大特性，该SOA采用一个喇叭波导。输入和输出波导宽度分别为1.4和5um，两端均为AR镀膜，波导的斜度为5°，以抑制共振效应。

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2.2.连续波放大特性

在连续波（CW）光的放大中，使用图5所示的环境对SOA特性进行评估。在输入波长为404nm时，测量在3、4和5kA/cm2的工作电流下，输入功率和净增益（有时也称为光纤到光纤增益）和输出功率关系(如图6)。使用光带通滤波器（BPF）来隔绝带外放大自发发射（ASE），以直接获得净增益值。应注意，图中的净增益值包括输入和输出耦合损耗。显然，从小于1 mW的小信号输入中获得了超过20dB的增益，这一结果与用其他材料制造的SOA的性能相当[5，6]。

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通过将输入波长调整到403、405或407nm来测试波长相关性，相应的光谱如图7所示，在不同的输入波长下观察到非常不同的光谱。在短波时，放大光谱中看到了ASE，而在405和407nm的较长波长下的放大观察到的ASE较少。

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3.脉冲放大

3.1.限制因素

脉冲放大最初使用SOA[31]进行研究，该器件采用我们组开发的基于GaN的外腔锁模激光器[26]。在这项工作中，MOCVD培养了与SOA相同GaInN有源区的基于GaN的激光器。这个激光器芯片由正向偏置增益部分和反向偏置饱和吸收（SA）部分组成。在SA一侧端面镀高反膜，另一侧镀抗反膜。有关此锁模激光器的更多详细信息，请参阅文献[26]。图9显示了该器件的输出功率与在3kA/cm2偏置电流密度下的CW和脉冲输入功率的对应关系。从图中可以看出，在应用脉冲放大时，平均功率明显较低。为了研究脉冲放大的限制因素，我们使用光谱分析仪（OSA）和条纹相机测试光谱和时间特性。

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图10(a)显示了光谱图，图10(b)显示了电流密度分别为2 kA/cm2和4kA/cm2下放大的光脉冲的条纹相机图像。放大脉冲的光谱峰值波长向更长波长的移动并伴随振荡，代表了自相位调制（SPM）[34]。高峰值功率光学脉冲导致载流子耗尽，这又影响了折射率。在2 kA/cm2的低电流密度下，条纹相机图像显示了重频为1GHz的干净的光脉冲。而在更高的电流密度（4 kA/cm2），ASE出现在脉冲之间，光谱发生变化，在403nm附近看到了比较宽的第五峰。它是ASE和脉冲的组合。载流子恢复时间被确定为小于300ps，明显快于1 ns的脉冲重复。放大脉冲的持续时间是3ps，峰值功率估计只有20 W。

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3.2.提高峰值功率

对SOA的究表明，随着工作电流密度的增加，出现了强烈的ASE。较高的ASE导致增益耗尽，阻碍光脉冲的有效放大。在这个过程中，通过受激发射过程发生的载流子耗尽是由ASE引起的，这反过来导致可用于脉冲放大的载流子更少。这导致的有限峰值功率仅为20W。ASE是SOA的限制因素这一事实已经在以前其他系统的研究中提到，无论是理论上还是实验上[35-37]。为了克服这一局限性，必须减少激烈的ASE。然而，存在权衡，因为光学增益也需要ASE。因此，我们追求发展通过优化器件结构（如长度和光学限制因子）来获得低ASE，同时保持足够的增益。峰值功率提高到大约100W，后来提高到300W [2对，29]。相应的光脉冲能量约为 330 和590pJ。最近，进一步的改进使脉冲能量为2200 pJ（对应于峰值功率630 W）[30]。这是基于GaN的全半导体脉冲源有史以来报告的最高脉冲能量。以下各节介绍了此最新器件的详细信息。上述SOA如图11所示为器件B、C和D。

众所周知，光脉冲放大是由SOA饱和能Esa决定的[34]，可以表示如下：

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公式中参数d，w，Γ可以轻松通过调整外延层结构和波导设计来实现。在器件B、C和D的情况下，值dw/Γ是8×103 um2，9×103 um2，和6×10um2。这些器件中的每一个都是由MOCVD制作的，并且都具有脊波导结构。B和C都使用波导，从输入面的1.4um线性锥形到输出面的15um。在D的情况下，波导包含两个部分：直前置放大器和喇叭状主放大器部分。B、C和D的长度分别为2、2.5和3mm，之前已经发布了更详细的描述[2-30]。

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详细讨论使用器件D获得的结果是有帮助的。在常用的Littrow配置中，该器件采用了被动锁模的GaN激光器作为主振荡器。LD的增益部分前向偏置90mA，饱和吸收SA部分反向偏置在-9 V时。脉冲重频为812 MHz，输入功率为7.2 mW，波长调谐到405nm。使用内部强度自相关测量设备对输入脉冲进行时域特性分析，该器件利用β-BaB2O4（BBO）晶体的表面二次谐波[38]。自相关测量表明FWHM值为4.2ps，对应于假设高斯波形的3.0ps脉冲持续时间。峰值功率估计为3W。

SOA器件D由LD驱动器以100kHz的重频3us宽的方波电流驱动，如图14所示，它显示了以8kA/cm2偏置电流密度获得的自相关轨迹和光谱。这里，FWHM为5.0ps，脉冲持续时间估计为3.5ps，假定是高斯型。尽管获得了大于20dB的高净增益，但脉冲持续时间并没有显著延长。放大脉冲的峰值波长为405.2nm，有0.2nm的红移，如图15（b）所示。放大后，光谱带宽也从0.08nm增加到0.26nm，这些光谱变化是由于SPM造成的。重要的是要指出本案中显示的红移量小于之前试验中观察到的红移量，如使用器件C [29]获得了0.4nm的红移。

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4.潜在应用

基于GaN的SOA有许多潜在应用，其中使用光脉冲的应用最多。本节将讨论这些应用。

4.1.微机械加工

最近，随着激光成本的下降和光纤激光技术的进步，激光材料加工迅速增长。在微机械加工中，短光学脉冲是可取的，因为皮秒/飞秒脉冲可以有效减少激光造成的热损伤。事实上，正如Chichkov等人，通过比较激光切割钢的脉冲宽度依赖性，已经证明纳秒脉冲会产生钝边[39] .

短波长光脉冲在精确处理方面也有好处，因为聚焦光束的点大小与NA/λ成正比，其中NA 是透镜的数值孔径，λ是激光的波长。Kauf et al. publi对使用具有相同平均和峰值功率的锁模皮秒和q开关纳秒紫外激光器微加工的做了研究对比，试验表明，与纳秒脉冲相比，皮秒UV脉冲更具有优势，当使用聚酰亚胺等电介质材料时，它们允许更高的切割速度。与在80Hz下工作的q开关激光器相比，在80MHz下工作的锁模激光器的显著更高的脉冲重复导致更高的切割速度。

4.2.视轴矫正

激光屈光手术，如激光原位角膜磨镶术（LASIK），可以矫正角膜的屈光特性。LASIK中通常使用两种不同类型的脉冲激光器：用于切割角膜瓣的红外飞秒激光器和用于消融角膜组织的紫外纳秒准分子激光器。用紫外脉冲（通常在193nm）消融角膜组织能够改变角膜表面的形状以矫正视力。最近，Xu和Knox等人展示了一种替代性的视力矫正方法。这项新的非侵入性技术不是物理去除角膜的一部分，而是使用400nm的飞秒脉冲来改变角膜的折射率，这是最有效的波长。400nm脉冲由锁模Ti:Sap激光器的二阶谐波提供，该激光器在角膜处的平均功率为60±1mW，相应的脉冲能量约为0.8nJ。采用MLLD的基于GaN的SOA似乎是该应用更有希望的方案，因为所需的平均功率和脉冲能量可以通过本章中讨论的SOA类型很容易地产生，并满足了其对能量效率和紧凑性的需求。

4.3.光学存储

光盘的存储容量已从0.7GB（CD）提高到4.7GB（DVD），到近期的25GB(蓝光光盘)。这些改进是与激光器技术的进步结合在一起实现的，因为激光束的光斑大小与λ/NA成比例，所以可以通过更短的激光波长实现更小的激光束光斑。对于下一代光存储，三维（3D）光数据存储可能是最好的选择，顾名思义，这种技术可以三维存储信息，从而显著提高存储容量[41]。几个研究组已经演示了这样的系统[42，43]，并已实现了1TB的数据存储[44]。为了三维存储数据，必须使用高峰值功率的光脉冲来诱导多光子过程，例如双光子吸收。基于GaN的SOA结合MLLD将非常适合作为实际的脉冲源，事实上，这种应用已经得到了证明[45，46]。

5.结论

GaN基光电子器件已经被广泛用作光存储激光器和固态照明，并且由于它们能够覆盖从深紫外到红外的宽光谱范围，许多关于这些器件的研究正在进行中。然而，关于基于GaN的SOA的报道很少。本章综述了GaN基SOA的基本特性，重点介绍了脉冲放大。本文所述的特定SOA器件产生大于2nJ的脉冲能量，该值与从广泛使用的基于固态激光器的脉冲源获得的值相当。这些器件有许多潜在的应用，例如使用紫外线皮秒和飞秒脉冲的微机械加工、矫正光学和高密度光学存储。这些应用都将受益于采用基于GaN的SOA。

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