1.3 μm半导体量子点激光器的研究进展 
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1 引言
半导体技术的飞速发展不断改变人类生活的方方面面,其持续推动着信息、教育、医疗和**等众多领域的革新[1-5]。随着5G、云计算和人工智能等技术的出现及人们对于更高网络速度的追求,信息量的激增给电信领域带来前所未有的挑战。与此同时,大数据带来的能源消耗问题也变得日益严重。
半导体激光器作为光通信系统的核心部件,对整个系统的性能起到了至关重要的作用。低成本、低功耗、高性能的小型半导体激光光源是新一代高速光通信网络的理想光源。1.3 μm波段(O波段)作为光纤的传输窗口之一,可以实现较低衰减及极低色散的传输,在中短距离光纤通信领域中具有极其重要的意义,该波段的光源非常适用于高速数据中心、超级计算机和城域网等系统中。目前,该波段光通信网络商用的光源主要以InP基量子阱激光器为主,然而由于受到材料自身的限制,其输出功率随温度变化明显,往往需要外部控温工作,所以很难满足低成本和低功耗的要求。
由于在三维方向上有强的载流子限制效应,所以纳米尺度的半导体量子点材料具有与原子一样的分立能级和类δ函数的态密度。特别是,1.3 μm InAs/GaAs量子点激光器已展现出低阈值电流、高温度稳定性、高调制速率、低啁啾、对光反射不敏感及抗辐照[6]等诸多优势,其可以在无制冷和无光学隔离器的条件下工作,进而大大减少成本支出、能源消耗及器件尺寸,有望成为下一代光通信及光互连等系统的重要光源。
此外,随着摩尔定律逐渐接近极限,硅基光电集成成为未来半导体技术发展的方向。目前,制约该技术发展的瓶颈问题是缺少高效的硅基光源,将III-V族半导体光源与Si衬底相结合是最有希望解决该瓶颈问题的技术方案。日本AIO Core公司已经通过键合技术制备出以量子点激光器为光源的超小型、低功耗的100 Gbit/s硅基4通道收发平行光模块,器件的工作温度范围为-40~85 ℃[7]。面向大规模生产,在Si衬底上直接外延III-V族材料是解决硅基光电集成缺少核心光源的理想技术方案。纳米尺度的零维量子点结构由于对位错不敏感,其特别适合制备高效Si基III-V族半导体激光光源,因此Si基量子点激光器已成为当前半导体激光器领域的又一研究热点。
2 量子点材料
理想情况下,量子点材料具有与原子近似的分立能级[8]和类δ函数的态密度[9],因此其已被用于发展高性能半导体器件,包括量子点激光器、量子点光电探测器及量子点太阳能电池等。量子点材料在三个维度上的尺寸都接近电子的德布罗意波长,因此载流子在三个维度上都受到了强烈的载流子限制作用[10],如
图 1. 不同材料的结构示意图及对应的态密度[10]。(a)体材料;(b)量子阱;(c)量子线;(d)量子点
Fig. 1. Schematic of different materials and corresponding density of states[10]. (a) Bulk material; (b) quantum well; (c) quantum wires; (d) quantum dots
1982年,日本东京大学的Arakawa和Sakaki[9]通过对比不同维度激光器的阈值电流随温度变化的关系,发现量子阱激光器展现出更好的温度稳定性,这是由于其态密度更集中所导致。随着材料维度的降低,材料对载流子的限制作用越强,因此激光器的温度稳定性相应的也越好,进而推断出更低维度的量子点激光器应该具有更好的温度稳定性,其特征温度T0可以达到无穷大。随后,量子点材料及相关器件获得了科技人员极大的关注。
半导体量子点材料通常可通过三种方法获得。
1) 利用化学的方法制备水溶性的半导体量子点材料,该材料常用于量子点荧光显示及生物标示等方面。
2) 利用半导体材料的制备工艺,在量子阱材料上直接刻蚀纳米尺度的量子点材料[11],如
图 2. 刻蚀制备量子点结构的流程示意图[11]。(a)下部量子阱结构; (b)沿<011>方向光刻、刻蚀;(c) HCl溶液刻蚀;(d)沿<01
Fig. 2. Schematic of etching process for preparing quantum dot structure[11]. (a) Lower quantum well structure; (b) lithography and etching along the direction <011>; (c) HCl solution etching; (d) lithography and etching along the direction <01
3) 通过SK(Stranski-Krastanow)生长模式生长自组装的量子点材料,如
为了获得低阈值、高温度稳定和高调制速率的量子点激光器,生长高质量和高增益的量子点材料是非常关键的科学研究工作。量子点材料的模式增益与量子点密度、量子点层数、波函数的交叠及光谱的非均匀展宽有密切关系。由于采用自组装方式生长量子点材料,因此优化生长条件获得高密度和高均匀的量子点材料成为提升量子点激光器性能的重要手段。
3 GaAs基量子点激光器
上世纪90年代以来,随着SK生长模式制备量子点材料技术的不断成熟,国内外研究组在研制高性能量子点激光器方面也相应取得了突飞猛进的进展。1994年,Kirstaedter等[13]采用分子束外延(MBE)技术率先报道了室温下(InGa)As/GaAs量子点激光器的激射,该激光器的阈值电流密度低到950 A/cm2。在低温50~120 K范围内,该激光器的T0达到了350 K,比同期报道的量子阱激光器的T0=285 K高很多,环境温度超过130 K后,其阈值电流瞬间增大。此后,1.3 μm波段量子点激光器的材料大多通过MBE技术生长制备而来。1998年,第一只室温下激射的1.3 μm波段量子点激光器被报道[14]后,各研究小组对量子点激光器的阈值、温度、调制速率、啁啾和调谐等特性进行了广泛、深入的研究,并取得了显著成果。
3.1 低阈值电流
阈值电流特性是衡量半导体激光器性能的一项重要指标,更低的阈值电流可以使半导体激光器具有更低的工作电流,同时具有更低的功耗及更少的发热量。低功耗的光源对于现代光通信网络及数据中心具有极其重要的意义。上世纪90年代,半导体量子阱激光器的阈值电流密度已经接近其极限。1991年,Chand等[15-16]报道了阈值电流密度为45 A/cm2的InGaAs/GaAs量子阱激光器,随后很长一段时间量子阱激光器的阈值电流密度都没有得到明显改善。量子点激光器由于量子点材料具有很强的三维量子限制效应和更高的材料微分增益,近年来展示出了极其优异的阈值特性,器件可以在低连续电流注入下工作,使其在高速光互连和高速光通信中具有重要的应用潜力。
1998年,Huffaker等[14]报道了第一个室温下激射的1.3 μm波段量子点激光器,该激光器的有源区由单层InGaAs/GaAs量子点组成。当环境温度为79 K时,激光器的阈值电流密度仅为11.5 A/cm2,当环境温度升至室温时,对应的阈值电流密度增加到270 A/cm2,相对于量子阱激光器的阈值电流密度而言,这还是一个很高的数值。1999年,Huffaker等[17]报道了低阈值电流的量子点垂直腔面发射激光器(VCSEL),其室温阈值电流仅为23 μA,对应的阈值电流密度为98 A/cm2。同年,Liu等[18]发展了量子点密度高达7×1010 cm-2的量子点激光器,使得量子点激光器的室温阈值电流水平首次低于量子阱激光器,该激光器在脉冲电流注入下的室温阈值电流密度为26 A/cm2,随后量子点激光器的阈值电流密度得到进一步下降,远远低于量子阱激光器。
2000年,Liu等[19]对阱中量子点附近量子阱中In组分及量子点有源区中量子点层数进行了研究,获得了脉冲电流注入下的室温阈值电流密度为16 A/cm2的低阈值量子点激光器。这是因为阱中量子点更容易获得高密度的量子点材料,量子点密度的增加大大提升了材料的模式增益,此外量子点附近的量子阱也促进了量子点载流子的俘获。随着量子阱中In组分的增加,量子点激光器的模式增益和温度稳定性都有明显提升。2004年,Liu等[20]提出利用高温生长GaAs隔离层的方法来提升多层1.3 μm波段阱中量子点激光器的性能。通过提高隔离层的生长温度,可以显著抑制隔离层缺陷的形成,当环境温度为300 K时,获得了阈值电流密度为31 A/cm2的量子点激光器。随后,该研究组通过进一步优化条件制备出超低阈值电流密度的InAs/GaAs量子点激光器[21-22]。该激光器的量子点层数为三层,室温下双面镀高反膜1 mm腔长量子点激光器的阈值电流密度低至17 A/cm2,对应的单层量子点阈值电流密度仅为5.7 A/cm2,远低于对应的量子阱激光器的阈值电流密度水平。当激光器的腔长增至2 mm时,量子点激光器的阈值电流密度略有上升,增加到18.8 A/cm2,而此时对应的阈值电流却仅为1.5 mA。仅对激光器单面镀高反膜,量子点激光器的室温出光功率可以达到100 mW。2007年,Liu等[23]利用p型调制掺杂制备的10层InAs/InGaAs量子点激光器中每层量子点的室温阈值电流密度仅为5.9 A/cm2,输出功率达到了882 mW。此后,Freisem等[24]通过优化量子点材料的均匀性,制备出室温连续电流输入下阈值电流密度仅为11.7 A/cm2的单层量子点激光器,其出光功率超过了0.42 W。2009年,Deppe等[25]进一步刷新了半导体激光器阈值电流密度的记录,制备出室温阈值电流密度仅为10.4 A/cm2的量子点激光器。同时,该激光器展示出了超低的内损耗(0.25 cm-1)及超过2 W的出光功率,这一数值已经远远低于量子阱激光器所能达到的最小阈值电流密度。
2018年,Lü等[26]提出了一种新型的量子点激光器掺杂方式,在量子点材料生长过程中直接掺入Si原子,量子点激光器的阈值电流特性获得了大幅度提升,这种直接掺Si的方式可有效钝化量子点附近或内部的非辐射复合中心,提高材料质量,同时增加激光器载流子(电子)的填充。
图 4. 未掺杂与Si掺杂量子点激光器功率-电流曲线对比[26]
Fig. 4. Comparison of power-current curves between undoped and Si-doped quantum dot lasers[26]
3.2 高温度稳定
半导体激光器的温度特性决定了器件随温度变化的稳定性和可应用的场景。更宽的工作温度范围可以使激光器件应用在环境温度苛刻的系统中,同时可以使激光器在无制冷的情况下工作,减少相关的温度控制部分,进而大幅度减少激光器模块的尺寸和功耗。高工作温度稳定性更是激光器良好工作的保证,也是量子点激光器一个非常令人期待的特性。由于量子点材料对载流子有很强的限制作用,理论预测量子点激光器的T0接近无穷[9]。
然而,早期研制的量子点激光器的温度稳定性很差,通常在40 K左右,这与理论预期的结果有很大差异。一些研究组为了提升量子点激光器的温度特性,往往采用增加有源区量子点层数和器件腔长等方式来提高量子点激光器的模式增益,减少载流子从基态到激发态跃迁进而改进器件的温度稳定性。1999年,Lester等[27]通过增加激光器腔长的方式,将量子点激光器的T0由42 K提升到了63 K。2000年,Liu等[19]通过将量子点层数由单层提升到三层的方法使得T0由45 K增加到84 K。
针对量子点激光器温度稳定性与理论结果相差较大的问题,经过对量子点能级的分析,Deppe等[28-31]提出了采用p型调制掺杂的方式来改进量子点激光器的温度稳定性,该方法已成为目前获得高温度稳定性量子点激光器最常用的方式。半导体量子点自身价带空穴能级间隔(10 meV)小于室温热激发能级(25 meV),随着温度的升高,空穴将从基态不断向更高能级的激发态跃迁,进而降低载流子辐射复合几率,导致激光器的增益随着温度的升高而明显减小[32],如
2002年,Deppe等[28]首次在有源区量子点附近引进p型调制掺杂,使得激光器的T0达到213 K(0~81 ℃)并在161 ℃时仍能维持基态激射。2004年,Fathpour等[32]采用p型调制掺杂的方式在5~75 ℃温度范围内获得了T0为正无穷的高温度稳定性的量子点激光器,对应的未掺杂量子点激光器的T0仅为69 K。此后,Ishida等[33]报道了在20~50 ℃温度范围内T0为300 K的量子点激光器,其最高工作温度可以达到90 ℃。
为了使量子点激光器能够在更高的温度下工作,Liu等[20]利用高温生长的GaAs隔离层提升多层1.3 μm阱中量子点激光器的性能,将器件连续电流下激射的温度提高到105 ℃,未采用该生长技术的激光器在室温时已不能激射。该技术对于量子点激光器的温度稳定性没有明显改进,与未使用高温生长隔离层技术的器件相比,T0仅由35 K提升至43 K。随后,Badcock等[34-35]采用高温生长GaAs隔离层与p型调制掺杂相结合的方式制备量子点激光器,以提升多层1.3 μm阱中量子点激光器的性能,并观察到在阈值电流附近出现负T0的现象。2007年,Liu等[23]利用p型掺杂技术制备的量子点激光器在连续电流注入下的激射温度达到了100 ℃,最大模式增益为23.1 cm-1.2011年,Kageyama等[36]报道了连续电流注入下超高温度工作的8层量子点激光器,通过采用p型调制掺杂技术制备的量子点激光器的工作温度最高达到了220 ℃,这是目前报道的所有激光器中最高的工作温度。该激光器的量子点材料的点密度达到了5.9×1010 cm-2,室温光致发光光谱(PL)的半峰全宽仅为24 meV,高密度、高均匀和高质量的量子点材料使得激光器的基态最大模式增益在25 ℃达到了54 cm-1,并且在100 ℃仍有35 cm-1。
3.3 高调制速率
1.3 μm波段属于光纤通信的一个重要窗口,因此该波段激光器的调制特性具有重要意义。直接调制激光器是在激光器的电极上直接外加载波信号传输信息,可以减少外部调制器的使用,有效节约成本和空间。激光器的调制特性表征包括小信号调制和大信号调制响应特性两种方式,且两个指标都是非常重要。
小信号调制是在激光器上外加一个直流偏置电流和一个连续正弦波调制信号,通过改变调制信号的频率来测量激光器输出光功率的变化,相关参数可通过矢量网络分析仪测得。与小信号调制相比,大信号调制往往是对激光器施加一个相对更大的驱动信号,可使激光器表现出非线性的响应特性。光通信系统中,激光器往往都是在大信号调制状态下工作,一般利用眼图测试通过套模板的方式获得大信号调制速率。对两者进行比较,小信号测试可以采用量化的方式来描述激光器的信号传输能力,往往可以有效预测大信号调制的性能。其与量子阱激光器大、小信号近乎线性的比例关系不同,Gready等[37]对量子点激光器的大、小信号调制速率进行了分析,认为量子点激光器中大、小信号调制速率具有非线性的关系。这是由于量子点具有高增益和大的非线性增益压缩,即使量子点激光器具有窄的小信号调制带宽但仍能以很高的大信号调制速率进行传输。
2002年,Deppe等[31]预测了量子点激光器的基态小信号调制速率可以达到60 GHz。此后,Asryan和 Suris[38]从理论上建立了速率方程模型,在量子点尺寸波动达到10%,波函数的交叠达到100%的情况下,量子点激光器的基态极限调制速率可以达到60 GHz。
为了获得更高调制速率的直调量子点激光器,研究人员往往需要提高激光器的最大模式增益,这可以通过提高量子点的密度和尺寸均匀性来获得。2002年,Shchekin和Deppe[39]利用准平衡方法分析了量子点激光器的调制响应,结果表明,由于量子点的空穴能级间距小且非均匀展宽,因此量子点激光器的调制特性受到了限制。通过p型调制掺杂,可以增加量子点激光器的微分增益,在增加激光器温度稳定性的同时也可以增加器件的调制带宽。
2003年,Su等[40]首次报道了激射波长在1297 nm的量子点分布式反馈(DFB)激光器的高速直接调制特性,室温下的调制速率达到了2.5 Gbit/s。随后,Todaro等[41]报道在15~50 ℃温度范围内直接调制速率达到10 Gbit/s的量子点激光器,同时在5 Gbit/s速率下运行温度范围可扩展到更宽,为15~85 ℃。2004年,Otsubo等[42]通过采用增加量子点层数和p型调制掺杂的方式增加量子点激光器的模式增益进而提升激光器的调制特性。将量子点材料的有源区从3层增加到了10层,最终获得了可在高温下工作的高速量子点激光器。该器件的小信号调制带宽在20 ℃达到8 GHz,在70 ℃减小到7 GHz。在20~70 ℃的温度范围内,无电流调整的条件下,激光器展示出直接调制速率达到10 Gbit/s的大信号调制能力,对应的消光比为6.5 dB。随后,类似的器件结构在20~90 ℃的温度范围内和没有电流温度补偿的情况下,200 μm腔长的p掺杂量子点激光器最大模式增益达到35 cm-1,最高传输速率达到10 Gbit/s[33]。2005年,Fathpour等[43]实验验证了p型调制掺杂有助于提升量子点激光器的调制特性。与未掺杂的量子点激光器6 GHz的小信号调制频率相比,p型调制掺杂的InAs/GaAs量子点激光器的小信号调制频率达到8 GHz。同年,Fathpour等[44]报道了5层InAs/GaAs量子点隧道注入激光器的小信号调制频率达到11 GHz。2004年,Kim等[45]利用金属有机化合物化学气相淀积(MOCVD)的方式制备了1.28 μm激射的InGaAs/GaAs量子点激光器,小信号调制速率达到12 GHz。2008年,Terry等[46]报道了注入锁定的量子点DFB激光器的调制频率达到16.3 GHz。
2007年,Todaro等[41]报道了未掺杂的InAs/InGaAs量子点激光器,该激光器在15~50 ℃温度范围内可以得到清晰的10 Gbit/s眼图,在15~85 ℃温度范围内可得到清晰的5 Gbit/s眼图,T0在该温度范围仅为110 K。2009年,Sugawara和Usami[47]实现了调制频率为10 Gbit/s的半导体量子点激光器的量产。2010年,东京大学的Arakawa研究组[48]首次报道了大信号调制速率高达25 Gbit/s的基态激射量子点激光器。随后几年,该研究组在该领域发表了多篇会议论文,报道了优化性能参数后,最终在20~70 ℃温度范围内实现了调制速率为25 Gbit/s的量子点激光器[49-50]。
2010年,中国科学院半导体研究所的研究组实现了10 Gbit/s未掺杂的量子点激光器,在10~50 ℃温度范围内,激光器的眼图清晰张开,同时器件的阈值电流仅为5 mA[51]。最近,该研究组通过增加量子点密度、提高量子点均匀性和引进p型调制掺杂增加了量子点激光器的大信号调制能力和温度稳定性。
图 6. 10 Gbit/s直接调制速率下的变温大信号眼图[51]。(a) 25 ℃;(b) 50 ℃;(c) 75 ℃;(d) 85 ℃
Fig. 6. Eye map of variable-temperature large signal at 10 Gbit/s direct modulation rate[51].(a) 25 ℃; (b) 50 ℃; (c) 75 ℃; (d) 85 ℃
3.4 抗反射特性
激光器出射的激光在光路系统中会由于各种各样的外部反射而再次回到激光器腔内,这些反馈光会破坏激光器的工作状态,随着反馈光的增加会造成激光的相对强度噪声(RIN)增加、激光线宽展宽及相干坍缩出现,这严重影响光通信系统的稳定性。因此,需要在光学系统中引进光学隔离器来减少光学反馈,但这将增加通信系统的成本和复杂性。如果激光器能展现出强的抗反射特性,则可以减少甚至完全去掉光学隔离器的使用,这将大大降低系统的封装成本及复杂度,提升系统的稳定性。近年来的研究结果表明,量子点激光器在抗反射特性上确实展现出了独特的优势。
2003年,Su等[40]首次对量子点激光器的抗反射特性进行了表征,选用1.3 μm波段InAs/GaAs量子点DFB激光器,测得的相干坍缩临界反馈比为-14 dB,这与传统量子阱激光器的-30~-20 dB典型值对比具有明显优势。在2.5 Gbit/s的调制速率下,量子点DFB激光器的信噪比在反馈比为-30 dB时开始下降,在相同输出功率和消光比下比典型的量子阱DFB激光器高20 dB。量子点激光器展示出更高的抗反射性能,主要原因是量子点增益介质中小的线宽增强因子α、腔面的高反射镀膜及损耗耦合光栅,这些结果表明量子点激光器有望在光通信网络中实现无隔离器工作。随后,O'Brien等[52]也报道了1.3 μm波段量子点激光器的抗反射特性,在低电流注入的情况下不会引起相干坍缩,在1.5倍阈值电流注入下,量子点激光器相干坍缩的典型阈值为-8 dB,而对应的量子阱激光器的值在-30 dB左右,认为这是由于量子点激光器具有长的腔长及小的α值,同时存在高的增益压缩,导致激光器具有高的阻尼因子。2019年,He等[53]通过对比在不同外部光反馈注入条件(无光反馈和-15 dB反馈量)下,法布里-珀罗(FP)腔量子点激光器与量子阱激光器的光谱、RIN谱及10 Gbit/s直接调制速率下的眼图和误码曲线特性,证明了量子点激光器在静态和动态条件下均具有更优越的抗光反射特性。上述研究均表明,与量子阱激光器相比,量子点激光器在抗反射方面展现出明显优势,这也为在光系统中去掉光隔离器提供了有力支撑。
2015年,Mizutani等[54]证实了在-30 dB的光反馈下,量子点激光器对近端反射的不敏感性。此外,Mizutani等[54]成功演示了在未使用任何光学隔离器及25 Gbit/s传输速率情况下的无差错光传输实验,表明在传输过程中没有出现任何信号恶化的现象。
2016年,Huang等[55]对量子点激光器基态和激发态的抗反射特性进行了比较,分析了不同外部反馈长度下,基态与激发态量子点激光器的光谱演变。实验结果表明,在10%的光反馈并且外部反馈长度低于35 cm,激发态激射激光器仍能保持稳定,当外部反馈长度超过35 cm时,显著的相干坍塌会出现;基态激射激光器由于具有更高的阻尼因子,因此对混沌不敏感。此后,Huang等[56-57]对InAs/GaAs量子点激光器的基态和激发态的长延迟反馈特性进行了研究。实验结果表明,无论测得的外腔长度和反馈强度如何,基态激光都表现出很强的抗反射特性,没有任何混沌脉冲。相比之下,激发态激光具有更丰富的非线性动力学特性,具有周期振荡和混沌振荡。这种差异是由于基态激光的阻尼系数非常大所导致,同时,在短延迟的情况下,系统的振荡周期明显依赖于外腔长度,在长延迟的情况下,系统的振荡周期则与反馈相位无关。
2018年,Zhou等[58]研究了GaAs基和Ge基量子点激光器的抗反射特性的差异。实验结果表明,Ge基量子点激光器对光反馈的容忍度高于GaAs基量子点激光器,这是由于前者具有高缺陷密度,提高了阻尼系数,降低了线宽增强因子。Ge基量子点激光器的最小RIN约为-120 dB/Hz,比GaAs基量子点激光器高15 dB[59]。同时,由于横向模式竞争,宽脊的Ge基量子点激光器对光反馈比窄脊的激光器更敏感。
3.5 激发态及双态激射
InAs/GaAs量子点激光器因量子点的分立能级及有限的态密度,十分容易观察到双态激射的现象,即基态和激发态同时激射。2003年,Markus等[60]首次获得了双态激射的量子点激光器,认为双态激射的行为与量子点激光器的腔长有很大关联,双态激射是在量子点有限的弛豫时间内所产生。双态激射量子点激光器中,基态的激射波长为1288 nm,对应的激发态激射波长为1194 nm。尽管激发态激射展现出更高的斜率效率及更大的输出功率,但更高的阈值电流密度使其难以在实际中应用。多年来,研究人员也一直试图通过提高材料增益、增加器件腔长及采取镀膜等方式来抑制激发态激光的出现。
然而,随着人们对于更高调制速率的追求,激发态激光又逐渐引起了研究人员的兴趣。与基态激光相比,激发态激光具有更高的模式增益和更短的载流子俘获时间[61-62]。因此,激发态激射量子点激光器有望大幅度提高量子点激光器的调制性能。随着关注度的增加,激发态激光的其他特性也被广泛研究。双态激射量子点激光器允许在同一个激光器中研究基态激射激光与激发态激射激光在性能上的差异及分析相关的载流子动力学特性。
2013年,Liu等[63]对双态激射的量子点激光器的静态增益特性进行了研究,发现与量子阱激光器不同,量子点激光器的增益并非固定在基态,而是与激发态之间存在强烈的增益竞争关系,同时双态激射激光器为多波长应用提供了一种可能。
2010年,Xu等[64]对不同温度下双态激射量子点激光器的动态调制特性进行了研究。实验结果表明,随着温度的升高,激光器逐渐由纯基态激射转变为双态激射,因此在高温下小信号调制带宽由基态激射变为激发态激射时显著增加,激发态激射使得双态激射激光器在高温下的小信号调制带宽得到了提升,这一研究结果为设计高温、高调制速率量子点激光器提供了一个新思路。同年,Ji等[65]对双态激射量子点激光器的稳态自热效应从实验和理论上进行了分析。随后,Lü等[66]对双态激射大信号调制的眼图进行了理论分析。研究结果表明,大信号调制在基态向双态激射转变的过渡区域中,基态、激发态激射激光器存在混乱状态,双态激射时激发态激射展现出更好的大信号眼图。此后,Lü等[67]对由基态向双态激射转变的过渡区域中器件总的出光大信号调制特性进行了实验和理论研究。研究结果表明,激光器整体输出的大信号眼图在过渡区域中并不存在混沌现象,这是由于基态、激发态激光存在互补机制。2015年,Röhm等[68]利用速率方程模型在理论上与单基态激射激光器相比,双态激射激光器会提升基态激射激光的小信号调制带宽。双态激光开始激射时,基态激光的调制速率会突然增加,相应的结果也可以在大信号眼图上得到验证。Wang等[69]从理论上研究激发态激射激光器虽然需要较高的工作电流,但其调制带宽约是基态激射调制带宽的1.5倍,并且啁啾频率较低,明显优于基态激射激光器。
除了理论研究外,实验上也实现了高速率的激发态量子点激光器。2014年,Arsenijevic等[70]对激发态量子点激光器的动力学特性进行了研究。研究结果表明,激发态具有较大的微分增益,由其较高的简并度和稍小的非线性增益压缩,使得激发态激射调制能力大大提高。Arsenijevic等[70]展示了基态和激发态激射激光的最大和最小信号带宽分别为10.51 GHz和16.25 GHz,而相应的大信号数字调制速率分别为15 Gbit/s和22.5 Gbit/s,对于激发态激射激光,最大无错比特率可以达到25 Gbit/s。2016年,Arsenijevic和Bimberg[71]报道了PAM4(4 Pulse Amplitude Modulation)调制速率达到35 Gbit/s的激发态激射量子点激光器,这一速率已达到量子点基态激射激光调制速率的最高值。
此外,激发态激光的线宽增强因子也表现出了更好的特性。2012年,中国科学院半导体研究所Xu等[72]在双态激射激光器中研究了基态与激发态激射线宽增强因子的差异。实验结果表明,激发态载流子跃迁引起的折射率变化比基态更小,且为负值,这对光场的限制更有利。随着注入电流的增加,基态激射激光的线宽增强因子从0.15增加到0.90,激发态载流子跃迁的线宽增强因子在0.15附近几乎无变化,激发态激射激光展现出了更小的线宽增强因子,这一特性对光纤通信极为有利。
在锁模激光器方面,Cataluna等[73]在2006年获得了模式锁定稳定的双态激射量子点激光器,激光器基态(1260 nm)和激发态(1190 nm)激射对应的重复频率分别为21.0 GHz和20.5 GHz,锁模输出的平均功率在基态超过35 mW,激发态超过25 mW。锁模状态下,脉冲的产生是由电偏置条件控制,使得量子点激光器的这一独特现象可以使器件在不同光谱波段内以稳定的锁模状态运行。然而,基态锁模体制与激发态锁模体制并不共存,为了在两种锁模体制之间进行切换,需要改变偏压条件(增益电流和吸收器反向偏压)。2010年,Cataluna等[74]利用增益区和饱和吸收区两个区域不同的电流和电压使器件在双态激射区域中工作,制备了双波长被动锁模的量子点激光器,并从理论上对器件锁模进行了重现。因此,针对双态激射激光不同的性能特点,可以通过调节外部光路或驱动电流等方式选择不同的激射状态以获得更加优异的效果,也可以通过改变激光器腔长和镀膜条件,利用分光镜或刻蚀光栅制备DFB等方式来获得期望的激射状态[75]。
4 Si基量子点激光器
目前,Si基III-V族激光器主要通过键合技术和外延生长两种方式制备。键合技术通过键合工艺将III-V族激光器与硅衬底结合在一起,是目前工业常用的一种方案。量子点激光器具有低成本、低阈值和高温度稳定等优势,使其非常适合作为硅基键合的激光光源。然而,随着需求量的增加,键合技术工艺复杂、器件导热性差和成品率低等问题制约了其发展。
Si基上直接外延生长III-V族激光器被认为是未来实现硅光大规模生产的一种最可行方案。然而,由于GaAs材料与Si材料存在较大的晶格失配、极性失配和热失配,因此在外延生长过程中会出现失配位错密度高、反相畴及微裂纹等问题。这些问题会引起高的位错密度,进而降低器件的发光效率和使用寿命。2003年,美国麻省理工学院的研究组在GexSi1-x/Si衬底上实现了GaAs/AlGaAs量子阱激光器,使用寿命仅为4 h。与量子阱相比,零维量子点结构对位错不敏感,其可以有效偏转或钳住缺陷以防止环路形成,并且可以对载流子进行定位,防止横向扩散或非辐射复合,这一优异特性使得量子点激光器在近年来引起了人们极大关注。
4.1 斜切角硅基直接外延
使用带一定角度切角的硅衬底可以有效降低反相畴的影响。2011年,英国伦敦大学Liu课题组[76]在斜切硅衬底上首次实现1.3 μm波段InAs/GaAs量子点激光器的室温脉冲激射。随后,利用Ge与GaAs晶格失配小和斜切衬底能有效抑制反相畴,该组在Ge/Si衬底上实现了Si基1.3 μm波段InAs/GaAs量子点激光器的室温连续激射[77]。Ge/Si衬底的穿透位错为5×106 cm-2,连续电流驱动下的阈值电流为163 A/cm2,最高可在30 ℃的温度下激射。2014年,美国加州大学圣芭芭拉分校(UCSB)的Bowers课题组[78]也在Ge/Si衬底上实现了1.3 μm波段InAs/GaAs量子点激光器的连续激射,最高工作温度达到119 ℃。
2015年,英国伦敦大学Liu等[79]对Ge/Si衬底量子点激光器进行了可靠性研究,在30 ℃温度下进行了2700 h的可靠性测试,外推使用寿命达到4600 h。2016年,Chen等[80]在斜切Si基衬底上获得了位错密度为105 cm-2量级的GaAs材料,制备的量子点激光器的阈值电流密度仅为62.5 A/cm2,室温最高输出功率达到105 mW,连续电流下最高工作温度可达75 ℃。在26 ℃温度下经过3100 h的可靠性测试,推导出器件的使用寿命超过百万小时。2019年,Shutts等[81]进一步对斜切Si衬底量子点激光器的可靠性及老化机理进行了研究,通过对不同腔长激光器的光损耗及可靠性进行研究,表明腔长越短的激光器老化速度越快,光损耗增加也越多。老化早期,缺陷数量的增加会增加器件内部损耗,使得激光器的阈值电流密度迅速增加,器件性能快速退化。因此,在激光器实际应用中应在尽量小的工作电流下工作。
中国科学院半导体研究所在近年来也开展了Si基和Ge基III-V族量子点激光器的研究工作,实现了Ge/Si衬底1.3 μm波段InAs/GaAs量子点激光器在室温下连续激射[82]。
此外,很多新的材料生长技术被提出,以进一步优化材料性能,如:采用AlAs成核层代替GaAs成核层[83]等。这里不再赘述,有兴趣的读者可以参阅文献[ 84-85]。
4.2 Si(001)晶向直接外延
尽管斜切Si衬底III-V族量子点激光器的性能已经得到了极大提升,然而带有切角的Si衬底与微电子行业的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺并不兼容,不利于Si基光电集成和大规模生产。为了实现与CMOS工艺兼容,需要发展在无切角的Si(001)衬底上直接外延生长III-V族量子点激光器的技术。其中最大的挑战就是在生长量子点结构前如何获得高质量的GaAs缓冲层。
近年来,科研人员在这一方面作了大量工作,如
表 1. Si(001)衬底生长1.3 μm波段量子点激光器进展
Table 1. Research progress of 1.3 μm band quantum dot laser on Si(001) substrate
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除了采用GaP/Si(001)衬底这一技术路线外,Bowers课题组[94]还提出了在Si(001)衬底制备V型槽后生长GaAs缓冲层的方法。2016年,该课题组[94]采用V型槽方式制备的1.3 μm量子点微盘激光器实现了光泵浦激射。2017年,该研究组[95]进一步报道了利用同样方式制备连续电流注入的量子点激光器,器件阈值电流为36 mA,工作温度达到了80 ℃。
图 7. V型槽方式制备量子点激光器的结构示意图[95]
Fig. 7. Structure diagram of quantum dot laser prepared by V-groove method[95]
2017年,英国伦敦大学Liu课题组[97]报道了在Si(001)衬底上没有任何中间缓冲层或图形衬底的1.3 μm 5层量子点激光器的室温连续激射。采用MOCVD方法在Si(001)衬底上制备了厚度为400 nm没有反相畴的GaAs薄膜,随后,利用MBE技术在GaAs薄膜上获得了穿透位错密度为107 cm-2量级的GaAs材料,在此基础上所制备器件的阈值电流密度为425 A/cm2,单面输出功率为43 mW,对应的GaAs基量子点激光器的阈值电流密度为210 A/cm2。在脉冲电流注入下,激光器最高工作温度可达102 ℃,阈值电流密度为250 A/cm2,室温下单面输出功率超过130 mW。2020年,Bowers课题组的Wan等[98]也报道了采用MOCVD方法在Si(001)衬底上直接生长GaAs缓冲层的方法制备Si基量子点激光器,在连续电流注入下,激光器的室温阈值电流为11 mA,阈值电流密度为173 A/cm2,对应的单层阈值电流密度仅为34.6 A/cm2,同时激光器的连续电流工作温度可以达到80 ℃。
图 8. GaAs/Si(001)衬底生长缓冲层结构的截面亮场透射电子显微镜图 [99]
Fig. 8. Cross-section bright-field transmission electron microscopy image of growth buffer layer structure of GaAs/Si(001) substrate[99]
2018年,日本东京大学的Arakawa研究组[99]利用单一MBE生长方式在Si(001)衬底上研制出InAs/GaAs量子点激光器。MBE技术在生长位错过滤层、量子点有源区和高温AlGaAs盖层上具有独特优势。研究人员首先利用稀释的HF溶液去掉Si衬底表面的氧化层,在其上生长了40 nm厚的AlGaAs低温种子层,随后生长了GaAs缓冲层及位错阻挡层,获得了位错密度为5×107 cm-2的GaAs材料[99],如
图 9. 位错密度与III-V/Si异质界面距离的关系图[99]
Fig. 9. Relationship between dislocation density and distance of III-V/Si heterointerface[99]
5 总结与展望
半导体量子点激光器在阈值电流密度、温度特性、调制速率和抗反射等方面均展现了出色的性能。1.3 μm GaAs基InAs量子点激光器分别展现出10.4 A/cm2的低阈值电流、220 ℃的高工作温度、25 Gbit/s的高调制速率等一系列优异成果,使得量子点激光器在高速光通信和高速计算机等领域具有重要作用。同时,1.3 μm Si基量子点激光器在近年来取得的显著发展使得其在部分参数上已经接近GaAs基量子点激光器的水平,并成为硅基光电集成领域发展核心光源的重要技术手段,极大地促进光电技术的发展。目前,量子点激光器在材料的晶体质量、量子点密度、量子点均匀性及器件设计等方面仍有很多优化空间。随着技术的发展,基于量子点激光器具有高工作温度、高温度稳定性和强抗反射的优势,工作在无制冷和无光隔离器环境下的量子点激光器将显著减少系统的成本、功耗及体积。在不远的将来,Si基量子点激光器必将带动光电集成的发展,在通信、医学和**等领域产生巨大价值。
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