1 引言

采用平面半导体工艺制备的半导体微腔激光器具有成本低、Q值高、易于集成等特点,可作为大规模光子集成电路和超大规模光通信系统的理想光源^[1-4]。其中,回音壁模式微腔激光器具有体积小、阈值低、功耗低等优点,在光子集成电路和片上光互连光源等应用中颇具优势^[5-6]。受限于其圆形旋转对称结构,回音壁模式微腔激光器的定向输出特性严重限制了它的大规模集成与应用。在过去的20年中,微腔激光器的定向输出特性引起了研究人员的广泛关注,并且研究人员发现可以通过倏逝波耦合或直接连接输出波导的方式实现其单向输出^[7-10]。在之前的研究中,本课题组已从理论上分析了不同半径的微腔激光器的模式耦合输出与垂直辐射特性^[11-12]。本文在理论上模拟了半径为5 μm的径向直连波导微腔激光器的模式特性,并基于平面半导体工艺制备了半径为5 μm、径向波导宽为1 μm的圆盘形微腔激光器,在室温下实现了连续电注入激射,与目前已报道的同结构的微腔激光器相比,该结果是实验上实现的最小尺寸的连续电注入激射激光器。

2 激射模式模拟分析

在之前的研究中,本课题组利用圆形微腔激光器的旋转对称特性,将三维结构简化为二维结构,求解了没有输出波导的完整圆盘形微腔的模式特性^[13-14]。在此基础上,本课题组采用三维时域有限差分(FDTD)方法,对径向直连波导的圆盘形微腔激光器直接进行三维(3D)模拟分析;之后在真实的3D空间中构建了微腔激光器的3D模型,该微腔激光器的半径为5 μm,直连波导的宽度为1 μm,微腔结构如图1所示。圆盘形微腔激光器的衬底材料为磷化铟(InP),其结构自上而下分别为上限制层、有源层、下限制层和衬底,中心有源层的厚度t_g=0.3 μm,折射率n₁=3.4,上限制层厚度t_u=1.4 μm,下限制层厚度t_b=2.1 μm,限制层和衬底的折射率n₂=3.17。微腔周围的介质为空气,折射率为1,坐标系原点设在有源层和微盘的中心处。横电(TE)场和横磁(TM)场的回音壁模式的主电磁场分量分别为H_y、E_x、E_z和E_y、H_x、H_z。FDTD算法的空间步长Δx、Δy、Δz分别设为20,30,30 nm,在满足收敛Courant的条件下,设定时间步长为0.047 fs。用宽带激发源在微腔中激发出多个模式,然后通过Padé近似地将记录的FDTD时域输出转换到频域,以计算模式波长和Q因子^[15-16]。之后,对于选定的模式,再用以模式波长λ为中心的窄带宽激发源来激发单个模式,得到模场分布。记录腔内某点的场分量在最后1×10⁵步的FDTD输出,然后利用Padé近似即可变换到频域进行光谱分析。

基于三维FDTD方法,利用宽带激发源得到了TE模式的强度谱,如图2所示,实线和虚线分别对应对称模式和反对称模式,在波长为1496.1,1519.6,1544.1,1569.5 nm处存在4个高Q的TE模式。仿真结果显示,半径为5 μm的圆形微腔激光器的模式间距分别为23.5,24.5,25.4 nm。在1519.6 nm波长附近,对称和反对称模式的模式Q因子分别为5.4×10³和4.5×10³,在1506.5,1532.9,1560.2 nm波长处也观察到了模式Q因子低很多的高阶模式。在z=0 μm和y=0 μm截面内,1519.6 nm波长处对称模式的模式强度分布如图3所示。由图3(b)可以看出,垂直方向上的模场被有效地限制在有源层内。

图 1. 直连波导的微腔激光器的三维模型

Fig. 1. Three-dimensional model of microcavity laser with radial waveguide

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图 2. 利用宽带激发源得到的微腔激光器TE模式强度谱

Fig. 2. TE mode intensity spectra of microcavity laser obtained by broadband source

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图 3. (a) z=0 μm和(b) y=0 μm截面内1519.6 nm处对称模式的归一化模式强度分布Hz2

Fig. 3. Normalized intensity distributions Hz2 of the symmetric mode at 1519.6 nm in cross sections of (a) z=0 μm and (b) y=0 μm

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图 4. 微腔激光器制备工艺流程

Fig. 4. Preparation process flow for microcavity laser

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3 微腔激光器的制备

使用边发射AlGaInAs/InP压应变量子阱激光晶片,基于文献[ 17-19]中的工艺制备微腔激光器。图4为制作微腔激光器的完整工艺流程图。首先,通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术在激光晶片上沉积800 nm厚的SiO₂层;然后采用光刻技术和感应耦合等离子体(ICP)蚀刻技术将激光图案转移到SiO₂层上,图形化的SiO₂层用作后续ICP蚀刻工艺的硬掩模,以深度蚀刻AlGaInAs/InP激光晶片,总的蚀刻深度约为4.7 μm;随后使用HF溶液去除残留的SiO₂硬掩模,再通过PECVD技术在晶片上沉积200 nm厚的氮化硅(SiN_x)层,以保证下一工序中旋涂的苯并环丁烯(BCB)具有良好的黏附性,保护微腔激光器免受后续反应离子蚀刻(RIE)工艺的破坏。在刻蚀过的材料表面旋涂BCB,共旋涂2次,涂覆之后,在氮气气氛中固化BCB,以避免其在空气加热固化过程中被氧化。以CF₄、O₂和氩气的混合气体作为刻蚀气体,采用RIE蚀刻技术,在没有任何掩模的情况下直接刻蚀固化后的BCB,直至暴露出微腔激光器的顶部;然后在整个晶片上沉积500 nm厚的SiO₂层,通过光刻将图形电极窗口的图案转移到SiO₂层上,利用ICP工艺同时刻蚀掉微腔上方的SiO₂层和SiN_x层,直至露出InP保护层,然后利用盐酸溶液湿法腐蚀掉InP保护层,暴露欧姆接触层作为电极接触窗口;之后通过电子束蒸发和剥离工艺制备Ti/Pt/Au的P型电极,形成直径为90 μm的焊盘;最后用研磨机将制备好的晶片机械研磨至厚度约为120 μm,并且在n面制备Au-Ge-Ni金属层作为N型电极。图5(a)为微腔激光器的扫描电子显微镜(SEM)图像,图5(b)为微腔激光器的显微照片。

图 5. (a) ICP刻蚀后微腔激光器的SEM图像;(b)制作完成的微腔激光器的显微照片

Fig. 5. (a) SEM image of microcavity laser after ICP etching; (b) microscopic picture of fabricated microcavity laser

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4 激光器特性测试

对晶片解理之后,将微腔激光器烧焊在AlN热沉表面上,并安装固定在热电制冷器(TEC)上进行测试。制冷器温度控制在298 K时,电压和微腔激光器输出功率随连续注入电流的变化如图6所示。通过线性拟合注入电流为5~10 mA时的电压-注入电流曲线,得到了激光器的串联电阻为19.2 Ω。从图6可以得出微腔激光器的阈值电流约为4 mA,当注入电流继续增大时,输出功率也继续增大,当注入电流为10 mA时,耦合输出功率达到0.28 μW。该微腔激光器耦合输出功率偏低的主要原因包括以下3个方面:1) 解理的波导端面与光纤耦合效率较低^[15-16];2) 小尺寸的微腔激光器具有较大的纵向辐射,导致衬底泄漏的光功率较多^[13];3) 5 μm微腔激光器的有源区较小,输出功率较同类激光器偏低^[17-19]。

当连续注入电流为9 mA时,微腔激光器的光谱特性如图7(a)所示。从图7(a)中可以看出,该激光器实现了边模抑制比(SMSR)为33.4 dB的单模激射,注入电流为9 mA时微腔激光器的主模波长为1520.9 nm,纵模波长间隔为22.9 nm,与图2中的仿真结果一致。在相邻纵模之间,1508.1 nm和1530.5 nm波长附近可以看到较大线宽的非激射高阶模,其对应于图2中低Q值的高阶对称模。通过光谱计算了该激射模式的模式功率随注入电流的变化,如图7(a)插图所示,其光谱功率在8 mA处出现了非线性拐点,与图6中曲线的变化规律一致。可以推测,随注入电流增大,器件的工作温度升高,激射波长红移,可能会引起光纤耦合效率发生波动,从而使得耦合输出的模式功率出现非线性变化。

图 6. 298 K下电压和输出功率随注入电流的变化曲线

Fig. 6. Output power-current and voltage-current curves measured at 298 K

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图 7. (a) 9 mA连续注入电流下微腔激光器的光谱特性;(b) 298 K下模式波长和SMSR随注入电流的变化

Fig. 7. (a) Spectral characteristic of microcavity laser at injection current of 9 mA; (b) mode wavelength and SMSR versus injection current at 298 K

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在298 K下,该激光器的模式波长和SMSR随注入电流的变化如图7(b)所示。由图7(b)可以看出:当注入电流从3 mA增加到12 mA时,模式波长从1519.7 nm移动到1522.1 nm,根据0.11 nm·K^-1的红移速率推算,器件的温升约为21.8 K;当注入电流从3 mA增加到9 mA时,SMSR因注入载流子的增加而先升至33.4 dB,之后由于器件温度升高而又降低。

最后分析了1521 nm模的激光光谱在阈值附近的变化规律,以估算微腔激光器的自发辐射耦合因子β。考虑方程:

dndt=ηΙqVaAn-Bn2-Cn3-νgg(n,s)s,(1)dsdt=νgΓg(n)-αis-sτpc+ΓβBn2,(2)g(n,s)=g01+εslnn+NsNtr+Ns,(3)

式中n为微腔内部载流子密度,I为注入电流,t为时间,η为电流注入效率,q为电子电荷电量,V_a为有源层体积,A、B、C分别为缺陷复合系数、辐射复合系数、俄歇复合系数,ν_g为微腔中的光速,g(n,s)为量子阱的增益,s为光子数密度,Γ为光限制因子,α_i为内损耗因子,τ_pc为只考虑光学微腔结构影响情况下的光子寿命(即冷腔光子寿命),β为自发辐射因子,g₀为材料增益,ε为增益压缩因子,N_s为增益参数,N_tr为透明载流子浓度。微腔激光器的品质因子取三维FDTD中的仿真结果Q=4.5×10³,其他参数取g₀=1500 cm^-1,N_tr=1.2×10¹⁸ cm^-3·s^-1,ε=1.5×10^-17 cm³,N_s=1.1×10¹⁸ cm^-3·s^-1,α_i=8 cm^-1,η=0.7,Γ=0.1,A=1×10⁸ s^-1,B=1×10⁸ cm^-3·s^-1,C=1×10^-28 cm^-28·s^-1。在自发辐射因子β分别1×10^-3、5.5×10^-3和3×10^-2时计算得到的功率-电流曲线如图8所示,横坐标为注入电流和阈值电流的比值,纵坐标为模式强度^[20]。对不同电流下测得的1521 nm附近的模式光谱进行洛伦兹拟合,并根据洛伦兹曲线的积分估算可以看出,自发辐射因子β=5.5×10^-3时的理论曲线与实验结果吻合得很好。由此估算出该微腔激光器的自发辐射因子约为5.5×10^-3。另外还模拟了激光器的输出功率随注入电流的变化,如图8中的插图所示,阈值电流约为2.5 mA, 比实验结果略低,其原因为:1) 腔体侧面的粗糙度不理想引起腔体的实际损耗偏大;2) 激光器实际工作过程中的温升引起阈值增加。

图 8. 不同自发辐射因子下计算得到的模式强度-电流曲线,插图为模拟输出功率随注入电流的变化曲线

Fig. 8. Calculated mode intensity-normalized current curves at different spontaneous emission factors, the inset is the variation of output power with injection current

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5 结论

研究了半径为5 μm的微腔激光器的模式和定向输出特性。实验表明,与1 μm宽的径向波导连接的半径为5 μm的微腔激光器可以实现连续电注入激射。在298 K下,测得的阈值电流为4 mA;在注入电流为9 mA时,测得激光器的SMSR为33.4 dB。拟合了激光模式强度随注入电流的变化规律,得到微腔激光器的自发辐射因子约为5.5×10^-3。