正方形-FP耦合腔半导体激光器的激射及热特性研究 
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1 引言
由于光通信和光互连对信息传输速度和容量的需求日益增长,单模可调谐半导体激光器得到了广泛的研究[1]。目前,可实现单模激射的半导体激光器主要有分布反馈布拉格(DFB)激光器[2]、垂直腔面发射半导体激光器[3]、分布布拉格反射(DBR)激光器[4-5]和耦合腔激光器[6-13]。耦合腔激光器是基于游标效应,耦合两个不同结构或尺寸的腔体选择模式,其制备工艺简单。典型的耦合腔激光器包括V型耦合腔激光器[10]、耦合圆环型微腔激光器[11]和解理或蚀刻耦合腔激光器[6-7,12]。通过解理或刻蚀方法制作的单模耦合腔激光器,虽然能实现很高的边模抑制比(SMSR),但稳定性差。
回音壁模式(WGM)微腔具有体积小、品质因子高等优点,广泛应用于微腔的激光器研究[14-23]。由于WGM微腔激光器光程较短,因此具有较大的自由频谱范围(纵模间隔),容易实现单纵模激射,如微柱、微盘和环形微腔激光器[24-26]以及多边形腔和变形腔激光器[17,27-28],但WGM微腔激光器的输出功率和单模光纤的耦合效率较低。本课题组提出将高品质因子(Q)的WGM微腔与Fabry-Perot(FP)腔相连,研制了一种新型的稳定单模耦合腔激光器[29-30],提高了输出功率和单模光纤的耦合效率,并在正方形腔无电流注入的条件下,实现了激光的双稳态输出和高速全光触发器功能[31],由于高Q微腔具有光子存储效应,因此该耦合腔激光器的相对强度噪声较低[32]。将正方形改为菱形-正方形的组合可以改善耦合模在FP腔的场分布,Hao等[33]研制了1.55 μm稳定单模耦合腔激光器,其SMSR最高可达45 dB,波长可调谐范围达到29 nm(SMSR大于30 dB),单模光纤的耦合输出功率达到6 mW。
本文研究了1.31 μm正方形-FP耦合腔激光器(HSRL)的设计、制作和输出特性。模拟分析了该器件结构的模式特性,介绍了基于AlGaInAs/InP外延片制备HSRL的工艺步骤。分析了1.31 μm HSRL的静态特性,结果表明,HSRL可实现单模稳定工作,SMSR最高为38 dB,单模光纤的耦合输出功率为2.23 mW。通过调节正方形腔和FP腔的注入电流,可使波长的调谐范围大于6 nm。最后分析了HSRL的热学特性,得到HSRL的特征温度T0为46 K。
2 器件仿真及工艺制备
2.1 器件结构与仿真
采用商用软件COMSOL Multiphysics 5.0中的二维有限元方法,模拟计算HSRL横电(TE)模分量Hz的二维结构,耦合腔激光器的二维结构如
正方形腔的基模、一阶模、高阶模与FP腔模式耦合后的TE模分布如
图 1. FP腔和正方形腔组成的耦合腔激光器
Fig. 1. Coupled cavity laser consisting of an FP cavity and a square cavity
图 2. 不同波长下HSRL模式耦合的TE模分布。(a) 1298.3 nm;(b) 1297.6 nm;(c) 1297.8 nm
Fig. 2. TE mode distribution of the HSRL mode coupling at different wavelengths. (a) 1298.3 nm; (b) 1297.6 nm; (c) 1297.8 nm
2.2 正方形-FP耦合腔激光器的制备工艺
金属有机化学气相沉积生长的AlGaInAs/InP压应变多量子阱外延片可以制备HSRL,包括衬底、上下限制层、上下波导层、有源层、欧姆接触层和保护层,其中,有源层是由5个厚度为6 nm的量子阱层和6个厚度为10 nm的势垒层交叠生长的多量子结构。外延片的荧光谱峰为1303 nm,半峰全宽为61.7 nm。HSRL的工艺制作流程如下。
1) 通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术在外延片上沉积厚度为800 nm的SiO2层,用接触式光刻和电感耦合等离子体(ICP)蚀刻技术将图案转移到SiO2层,以图案化的SiO2作为掩模对InP外延片进行ICP刻蚀,得到深度约为4.5 μm腔体,腔体的扫描电子显微镜(SEM)图像如
2) 通过PECVD技术沉积厚度为200 nm的SiNx钝化层,并涂覆BCB形成平坦表面,刻蚀固化后的BCB,暴露出腔体结构的顶部,利用ICP刻蚀技术去除腔体顶层的SiO2和SiNx,形成电注入窗口,通过光刻和带胶剥离形成图形化的Ti-Pt-Au金属P电极。
3) 对结构片进行机械研磨、减薄、抛光,然后在N面上电子束蒸发Au-Ge-Ni,并合金形成N欧姆接触电极,考虑到散热、方便解理,结构片的最终厚度约为120 μm。
4) 将结构片解理、烧结、压焊,用于后续测试器件的性能,解理成的单个管芯的显微镜图像如
图 3. HSRL的SEM图像和显微镜图像。(a)正方形-FP耦合腔的SEM图像;(b)图形化P电极HSRL的显微镜图像
Fig. 3. SEM image and microscope image of HSRL. (a) SEM image of square-FP coupled cavity; (b) microscope image of patterned P electrode HSRL
3 正方形-FP耦合腔激光器的静态特性
HSRL在FP腔的一侧可解理成腔长L=300 μm的耦合微腔激光器,正方形腔的边长a=15 μm,FP腔的宽度w=3 μm。将该器件烧结在氮化铝微带上,再烧结到铜热沉上以提高其散热特性。由于正方形腔与FP腔之间刻有隔离槽,两电极可单独控制,即可在正方形腔和FP腔内单独注入电流。通过半导体制冷器(TEC)将热沉温度保持在288 K,利用单模光纤收集输出光。HSRL通过单模光纤耦合的输出功率随FP腔偏置电流IFP的变化曲线如
图 4. SMF耦合输出功率与FP腔和正方形腔注入电流的关系
Fig. 4. Relationship between SMF coupled output power and injected current in FP cavity and square cavity
在正方形腔和FP腔注入不同的偏置电流,用分辨率为0.02 nm的横河AQ6370D光谱仪得到HSRL的激射光谱特性,如
调节激光器双腔的注入电流IFP和ISQ,测试激光器的激射特性,得到ISQ分别为1,5,10,15 mA时激光器的激射光谱随IFP的变化,如
当ISQ=10 mA,IFP分别为16,30,45,55,65,80 mA时得到激光器的激射光谱,如
图 5. HSRL在不同偏置电流下的激射特性曲线。(a) IFP=52 mA,ISQ=0 mA;(b) IFP=64 mA,ISQ=5 mA
Fig. 5. Lasing characteristic curves of HSRL at different bias currents. (a) IFP =52 mA, ISQ=0 mA; (b) IFP =64 mA, ISQ=5 mA
图 6. HSRL在不同偏置电流下的激射谱。(a) ISQ=1 mA,IFP=20~75 mA;(b) ISQ=5 mA,IFP=15~78 mA;(c) ISQ=10 mA,IFP=15~84 mA;(d) ISQ=15 mA,IFP=14~41 mA
Fig. 6. Lasing spectra of HSRL at different bias currents. (a) ISQ=1 mA, IFP=20--75 mA; (b) ISQ=5 mA, IFP=15--78 mA; (c) ISQ=10 mA, IFP=15--84 mA; (d) ISQ=15 mA, IFP=14--41 mA
图 7. ISQ=10 mA时激光器的激射光谱。(a) IFP=16,30,45 mA;(b) IFP=55,65,80 mA;(c)主激射波长、SMSR与IFP的关系
Fig. 7. Lasing spectra of laser when ISQ=10 mA. (a) IFP=16,30,45 mA; (b) IFP=55,65,80 mA; (c) relationship between main lasing wavelength , SMSR and IFP
当IFP=23 mA时,激光器的激射波长及SMSR与ISQ的关系如
图 8. HSRL在不同FP腔偏置电流下的激射特性曲线。(a)主激射波长、SMSR与ISQ的关系;(b) IFP=23 mA时激光器的激射波长随ISQ的变化曲线;(c) IFP=23 mA时激光器的激射光谱
Fig. 8. Lasing characteristic curves of HSRL at different FP cavity bias currents. (a) Relationship between main lasing wavelength, SMSR and ISQ; (b) change curve of laser lasing wavelength with ISQ at IFP=23 mA; (c) lasing spectrum of laser at IFP=23 mA
4 正方形-FP耦合腔激光器的热学特性分析
InP材料激光器的激射波长随温度的变化速率约为0.1 nm/K[25],结合激光器的激射波长随注入电流的红移变化量,可估计有源区的实际工作温度与IFP的关系,如
式中,ΔT为温度的变化量,单位为K,I为注入FP腔的电流,单位为mA。
测试不同TEC温度下FP腔的阈值电流,结合(1)式,得到HSRL阈值电流与器件实际温度的关系,如
式中,T1、T2、Ith(T1)和Ith(T2)分别为TEC的温度T1和T2及其阈值电流。
图 9. HSRL的热特性曲线。(a)有源区温度随IFP的变化;(b) FP腔阈值电流随有源区温度的变化
Fig. 9. Thermal characteristic curves of the HSRL. (a) Temperature of the active region changes with IFP; (b) threshold current of the FP cavity changes with the temperature of the active region
5 结论
将FP腔的一部分直接连接到正方形微腔的一个顶点,形成AlGaInAs/InP耦合腔激光器,并分析了该激光器的静态特性。对于a=15 μm,w=3 μm和L=300 μm的正方形-FP耦合腔激光器,实现了SMSR为38 dB的单模激射,单模光纤的最大耦合输出功率在TEC温度为288 K时达到2.23 mW。通过改变注入正方形腔和FP腔的电流实现了6 nm的波长可调范围。研究了HSRL的热学特性,得到了HSRL的特征温度为46 K。相比传统的DFB和DBR可调激光器,该结构的耦合腔实现单模可调谐激光器的工艺制备过程简单、结构紧凑,且潜在的成本低,在光通信系统和光子集成回路中具有广阔的应用前景。
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黄勇涛, 马春光, 郝友增, 肖金龙, 杨跃德, 黄永箴. 正方形-FP耦合腔半导体激光器的激射及热特性研究[J]. 中国激光, 2020, 47(7): 0701017. Huang Yongtao, Ma Chunguang, Hao Youzeng, Xiao Jinlong, Yang Yuede, Huang Yongzhen. Study on the Lasing and Thermal Characteristics of Square-FP Coupled Cavity Semiconductor Laser[J]. Chinese Journal of Lasers, 2020, 47(7): 0701017.
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