郭郅冬， 范 杰， 王海珠， 鄒永剛， 馬曉輝

(長春理工大學(xué) 高功率半導(dǎo)體激光國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長春 130022)

1 引 言

半導(dǎo)體激光器因具有體積小、電光轉(zhuǎn)換效率高、重量輕、可靠性高、壽命長、可直接電流驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，是激光通信應(yīng)用的理想光源元件[1-3]。為提升激光通信設(shè)備的性能，激光光源需盡可能具備較窄的線寬和較好的側(cè)模特性。例如,波分復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)在工作時(shí)，窄線寬、基側(cè)模激光光源可以在增加信號(hào)傳輸距離的同時(shí)降低光纖的色散損耗。因此,窄線寬、基側(cè)模半導(dǎo)體激光器件成為光電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[4-8]。為獲得窄線寬、基側(cè)模的半導(dǎo)體激光，激光器件通常采用窄脊波導(dǎo)和分布式反饋光柵(DFB)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[9-12]。

2016年,法國Ⅲ-Ⅴ實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合瑞士紐夏特大學(xué)報(bào)道了一種內(nèi)置光柵脊波導(dǎo)DFB半導(dǎo)體激光器[13]，采用4 μm脊寬和周期為273 nm的內(nèi)置光柵，在40 mW輸出功率下實(shí)現(xiàn)了小于0.002 1 pm線寬的基側(cè)模激光輸出，此時(shí)器件的工作波長為894 nm。與內(nèi)置光柵脊波導(dǎo)DFB半導(dǎo)體激光器相比，表面光柵DFB半導(dǎo)體激光器可以簡化器件的制備工藝，提高器件的可靠性，實(shí)現(xiàn)器件窄線寬的基側(cè)模激光輸出[14-15]。2017年，德國FBH研究所Kang等制備了一種側(cè)向耦合光柵DFB半導(dǎo)體激光器，采用2 μm的脊寬和周期為808 nm的側(cè)向耦合DFB光柵，在404 nm的工作波長下，實(shí)現(xiàn)了小于0.06 nm線寬的基側(cè)模激光輸出[16]。2019年，阿卜杜拉國王科技大學(xué)Jorge等研制的側(cè)向耦合光柵DFB半導(dǎo)體激光器[17]采用4 μm脊波導(dǎo)寬度，在513 nm工作波長下，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)功率14 mW、線寬31 pm的基側(cè)模激光輸出。雖然窄脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以有效地改善激光器件的側(cè)模輸出特性，但較小的端面出光面積限制了器件輸出功率的提升。

為改善窄脊半導(dǎo)體激光器的輸出功率難以提升的現(xiàn)象，近年來有研究表明，在寬脊波導(dǎo)兩側(cè)刻蝕側(cè)向微結(jié)構(gòu)，可以在保證較好側(cè)模特性的同時(shí)，有效地提升器件的輸出功率。2009年，伊利諾伊大學(xué)Crump等發(fā)現(xiàn)，在器件表面刻蝕微結(jié)構(gòu)[18]可以有效地過濾高階側(cè)模，改善器件的基側(cè)模輸出特性。2016年，長春光機(jī)所Rong等通過在脊波導(dǎo)表面刻蝕微結(jié)構(gòu)，在40 μm脊波導(dǎo)寬度下實(shí)現(xiàn)了連續(xù)功率338 mW的基側(cè)模激光輸出[19]。2018年，柏林工業(yè)大學(xué)Miah等提出了一種魚骨型脊波導(dǎo)半導(dǎo)體激光器[20]，采用35 μm脊寬，在高于700 mW的連續(xù)輸出功率下實(shí)現(xiàn)了基模輸出。目前，針對(duì)微結(jié)構(gòu)的側(cè)模調(diào)控研究多集中在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，應(yīng)用于DFB半導(dǎo)體激光器的報(bào)道較少。

本文提出了一種具有側(cè)向微結(jié)構(gòu)脊波導(dǎo)和高階脊表面光柵的DFB半導(dǎo)體激光器(LMWR-DFB)，借助側(cè)向微結(jié)構(gòu)，增大寬脊波導(dǎo)內(nèi)基側(cè)模與高階側(cè)模的損耗差，實(shí)現(xiàn)近基側(cè)模輸出下功率的提升；通過高階脊表面DFB光柵設(shè)計(jì)，在壓窄輸出激光線寬的同時(shí)降低器件制作工藝難度。

2 器件制備及原理分析

2.1 器件結(jié)構(gòu)

圖1(a)所示為LMWR-DFB器件結(jié)構(gòu)示意圖。該器件在脊寬Rw為50 μm的寬脊波導(dǎo)的兩側(cè)各刻蝕10 μm寬的微結(jié)構(gòu)區(qū)，微結(jié)構(gòu)區(qū)的刻蝕深度為Wm。在微結(jié)構(gòu)區(qū)內(nèi)周期排列的三角形微結(jié)構(gòu)作用下，諧振腔內(nèi)基側(cè)模和高階側(cè)模的損耗差將被增大，通過器件內(nèi)模式競爭機(jī)制，最終實(shí)現(xiàn)激光器件近基側(cè)模的輸出。為調(diào)制激光器件的光譜特性，實(shí)現(xiàn)窄線寬激光的輸出，在脊波導(dǎo)表面刻蝕有58階Bragg光柵，光柵的周期Λ為9.8 μm，占空比γ為0.27。脊的刻蝕深度為600 nm。諧振腔的長度為1 mm。為了避免后續(xù)工藝對(duì)光柵形貌的影響，在脊表面光柵的兩側(cè)，制備形成器件的P面電極。制作器件所使用的外延片采用In0.34GaAs/GaAs0.83P單量子阱結(jié)構(gòu)，器件外延詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖1 側(cè)向微結(jié)構(gòu)DFB半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)圖

表1 外延層結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 器件結(jié)構(gòu)基本原理與仿真

借助Pics3D數(shù)值模擬仿真軟件，圖2(a)給出了寬脊波導(dǎo)半導(dǎo)體激光器(WR-LD)諧振腔內(nèi)模式特性與脊波導(dǎo)寬度和模式有效折射率之間的關(guān)系。脊波導(dǎo)寬度對(duì)于器件的側(cè)向模式特性具有直接影響。由圖中可以看出，隨著脊波導(dǎo)寬度的增加，諧振腔內(nèi)形成的高階側(cè)模數(shù)量將逐漸增多。

圖2(b)給出了各階側(cè)模的橫向光場強(qiáng)度分布和光斑情況。對(duì)于基側(cè)模，橫向光場強(qiáng)度呈高斯分布，光斑近似橢圓形。一階側(cè)模的光場強(qiáng)度在橫向上存在兩個(gè)峰值，光斑中間產(chǎn)生斷點(diǎn)，光斑被一分為二。隨著側(cè)模階數(shù)的增大，其光場強(qiáng)度在橫向上存在的峰值數(shù)量逐漸增多，光斑的分裂愈加嚴(yán)重。隨著側(cè)模數(shù)量增多，器件諧振腔內(nèi)的模式競爭加劇，輸出激光的光斑將產(chǎn)生“分瓣”現(xiàn)象，致使激光器件的側(cè)模特性變差。寬脊波導(dǎo)將導(dǎo)致器件內(nèi)存在高階側(cè)模，通過在脊波導(dǎo)兩側(cè)刻蝕側(cè)向微結(jié)構(gòu)可以對(duì)高階側(cè)模起到限制作用。

圖2 WR-LD的側(cè)模特性。(a)脊波導(dǎo)寬度對(duì)側(cè)模的影響；(b)各階側(cè)模的光場分布。

在脊波導(dǎo)兩側(cè)刻蝕側(cè)向微結(jié)構(gòu)后，脊波導(dǎo)中傳輸?shù)墓庾訉⑹艿絺?cè)向微結(jié)構(gòu)的影響。借助時(shí)域有限差分Lumerical軟件獲得了側(cè)向微結(jié)構(gòu)對(duì)各階側(cè)模的影響情況，如圖3所示。圖中縱坐標(biāo)表示脊波導(dǎo)寬度，脊寬與微結(jié)構(gòu)刻蝕寬度之和固定為50 μm，光源從左至右入射。由圖3(a)可以看出，由于側(cè)向微結(jié)構(gòu)的存在，脊波導(dǎo)內(nèi)兩側(cè)傳輸?shù)墓鈱⒈粨p耗掉。對(duì)于高階側(cè)模，由于在脊波導(dǎo)兩側(cè)具有更強(qiáng)的光場強(qiáng)度，側(cè)向微結(jié)構(gòu)將會(huì)帶來更大的損耗，如圖3(b)、(c)所示。

圖3 側(cè)向微結(jié)構(gòu)脊波導(dǎo)中各階側(cè)模的光場分布(Wm=10 μm)。(a)基側(cè)模；(b)一階側(cè)模；(c)四階側(cè)模。

圖4給出了對(duì)于不同的脊波導(dǎo)兩側(cè)微結(jié)構(gòu)區(qū)寬度Wm，側(cè)模損耗與模式階數(shù)的關(guān)系。微結(jié)構(gòu)所引起的損耗由1-R-T計(jì)算得出，其中R和T分別代表微結(jié)構(gòu)對(duì)模式的反射率和透射率。不難理解，隨著Wm的增加，脊波導(dǎo)內(nèi)各階側(cè)模的損耗將逐漸增大。Wm=0 μm時(shí)，基側(cè)模與各階側(cè)模的損耗均約為0.1%。當(dāng)Wm=5 μm時(shí)，基側(cè)模的損耗為2.78%，一階側(cè)模損耗為7.32%，基側(cè)模損耗與一階側(cè)模損耗的差值僅為4.54%。當(dāng)Wm增加至10 μm時(shí)，雖然各階側(cè)模的損耗都有所提高，但基側(cè)模損耗與一階側(cè)模損耗的差值大幅增加至25.34%。在激光器件諧振腔內(nèi)模式競爭的作用下，較大的基側(cè)模與高階側(cè)損耗差有利于增大高階側(cè)模的閾值增益，抑制高階側(cè)模的激射。

圖4 微結(jié)構(gòu)區(qū)寬度與各階側(cè)模損耗的關(guān)系

當(dāng)Wm進(jìn)一步增加至15 μm時(shí)，基側(cè)模損耗由10 μm的13.7%大幅提升至50.3%，基側(cè)模與一階側(cè)模損耗差值降低至21.91%。為了確?；鶄?cè)模和高階側(cè)模之間存在一個(gè)較大的損耗差并且基側(cè)模的損耗較小，最終確定微結(jié)構(gòu)的刻蝕深度為Wm=10 μm。

為實(shí)現(xiàn)激光線寬的控制，LMWR-DFB器件在脊波導(dǎo)表面引入了周期為9.8 μm、占空比為0.27的高階Bragg光柵。借助高階Bragg光柵對(duì)諧振腔內(nèi)光子的分布反饋?zhàn)饔?，選擇出所需波長的光子參與振蕩，實(shí)現(xiàn)激光線寬的壓窄。圖5(a)給出了光柵刻蝕深度對(duì)反射特性的影響。刻蝕深度的增加增強(qiáng)了光柵對(duì)脊波導(dǎo)內(nèi)光子的衍射作用，隨著刻蝕深度由100 nm增加至600 nm附近，高階光柵的峰值反射率由2.5%增大至28.5%。雖然較大的刻蝕深度可以增大高階光柵的峰值反射率，但同時(shí)也將導(dǎo)致光柵具有較大的衍射損耗。由圖5(b)可知，在刻蝕深度小于600 nm時(shí)，光柵的衍射損耗較小。當(dāng)刻蝕深度增加至600 nm時(shí)，光柵損耗增加至20%附近。此后，隨著刻蝕深度的進(jìn)一步增加，光柵損耗急劇增大?？涛g深度為1 000 nm時(shí)，光柵損耗達(dá)到74.8%。為確保光柵能提供較高的反射率，同時(shí)所造成的衍射損耗相對(duì)較小，經(jīng)考慮最終確定光柵刻蝕深度為600 nm。

圖5 光柵刻蝕深度與反射特性和損耗特性的關(guān)系。(a)反射特性；(b)損耗特性。

此外，相比于通常需要借助電子束、納米壓印等工藝制作的低階表面光柵，高階表面光柵的制作可以采用紫外光刻工藝，降低了器件光柵的制作工藝難度。

2.3 器件制備

在器件制備工藝中，首先采用紫外曝光和電感耦合等離子體(ICP)干法刻蝕形成帶有側(cè)向微結(jié)構(gòu)的脊波導(dǎo)；接著再次借助紫外曝光和ICP干法刻蝕在脊波導(dǎo)表面制備出高階光柵，在器件表面沉積SiO2絕緣層之后，進(jìn)行P面電極、減薄拋光以及N面電極等工藝。在相同的條件下制備了脊寬為50 μm的寬脊波導(dǎo)半導(dǎo)體激光器。制作完成的器件P面向上封裝到C-mount熱沉上，封裝后的芯片如圖6(b)所示。測試過程中，借助溫控模塊將器件的工作溫度控制在16 ℃。

圖6 側(cè)向微結(jié)構(gòu)DFB半導(dǎo)體激光器實(shí)物圖。(a)脊波導(dǎo)；(b)封裝后的器件。

3 結(jié)果與討論

3.1 器件輸出特性對(duì)比分析

為了驗(yàn)證在脊波導(dǎo)兩側(cè)刻蝕微結(jié)構(gòu)對(duì)器件輸出特性的影響，分別對(duì)LMWR-DFB和WR-LD進(jìn)行了功率測試。圖7(a)給出了連續(xù)電流驅(qū)動(dòng)下兩種器件的電流-功率(I-P)測試曲線。由測試結(jié)果可以看出，在未鍍腔面膜的情況下，其中LMWR-DFB的閾值電流約為100 mA，WR-LD的閾值電流為90 mA。在驅(qū)動(dòng)電流為0.3 A時(shí)，LMWR-DFB輸出功率為98.91 mW。隨著驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)一步增加至0.6 A，LMWR-DFB獲得了239.85 mW的輸出功率和0.46 W/A的斜率效率。由于在脊波導(dǎo)兩側(cè)刻蝕了微結(jié)構(gòu)，相比于WR-LD的206.03 mW和0.39 W/A的輸出功率和斜率效率，LMWR-DFB的輸出功率和斜率效率分別提升了16.4%和17.9%，由于LMWR-DFB的輸出功率提升，其電光轉(zhuǎn)換效率也提升到了21.6%，與WR-LD的電光轉(zhuǎn)換效率18.7%相比，其電光轉(zhuǎn)換效率提升了15%，如圖7(b)所示。經(jīng)分析認(rèn)為，這一方面是因?yàn)閭?cè)向微結(jié)構(gòu)的刻蝕減小了LMWR-DFB脊波導(dǎo)的表面積，增大的注入電流密度令器件的輸出功率有所提高[18]。另一方面，由于側(cè)向微結(jié)構(gòu)和脊表面光柵的引入有效地消除了諧振腔內(nèi)的模式競爭，使腔內(nèi)載流子分布更加均勻[21]。

圖7 器件特性曲線。(a)I-P特性曲線；(b)電光轉(zhuǎn)換效率特性曲線。

3.2 器件模式特性測試分析

為了驗(yàn)證側(cè)向微結(jié)構(gòu)對(duì)腔內(nèi)高階側(cè)模的抑制效果。選用CCD成像法對(duì)遠(yuǎn)場光斑進(jìn)行測試，在輸入不同電流時(shí)測得遠(yuǎn)場光斑。圖8所示為不同電流下器件的遠(yuǎn)場光斑情況。圖8(a)為WR-LD遠(yuǎn)場光斑隨注入電流的變化情況?？梢钥闯?，受脊波導(dǎo)寬度的影響，在驅(qū)動(dòng)電流為0.2 A時(shí)，WR-LD的遠(yuǎn)場光斑在中心處即存在明顯的斷線，光斑呈“雙瓣”分布，光場在X軸方向能量分布較為分散。隨著驅(qū)動(dòng)電流的進(jìn)一步增大，WR-LD的遠(yuǎn)場光斑逐步惡化。

由圖8(b)可以看出，在驅(qū)動(dòng)電流為0.2 A時(shí)，LMWR-DFB的高階側(cè)模得到了有效的抑制，其遠(yuǎn)場光斑呈“單瓣”，光斑中間并無斷處，光場中間的能量更為集中，呈高斯分布。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流增大至0.4 A時(shí)，隨著器件輸出功率的提高，諧振腔內(nèi)高階側(cè)模之間的競爭更為激烈，器件遠(yuǎn)場光斑尺寸有所展寬，但仍呈“單瓣”狀態(tài)，保持了較好的近基模輸出狀態(tài)。當(dāng)器件的驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)一步增加至0.6 A時(shí)，器件的遠(yuǎn)場光斑開始變差，在X軸方向上光場中間的能量略為分散，但遠(yuǎn)場光斑仍未產(chǎn)生明顯的斷線。相比于WR-LD，LMWR-DFB的側(cè)向發(fā)散角由7.09°降至5.13°，如圖9所示。由此表明，在脊波導(dǎo)兩側(cè)刻蝕側(cè)向微結(jié)構(gòu)可以有效地抑制器件的高階側(cè)模，令LMWR-DFB在較大的驅(qū)動(dòng)電流范圍內(nèi)保持近基側(cè)模輸出。

圖8 器件遠(yuǎn)場光斑。(a)WR-LD；(b)LMWR-DFB。

圖9 側(cè)向發(fā)散角圖。(a)LMWR-DFB；(b)WR-LD。

3.3 器件光譜特性

為了驗(yàn)證高階脊表面光柵對(duì)器件腔內(nèi)縱模的調(diào)制作用，將激光耦合進(jìn)光譜儀的單模光纖進(jìn)行測試。圖10同時(shí)給出了LMWR-DFB和WR-LD的光譜特性測試結(jié)果。在驅(qū)動(dòng)電流為0.5 A時(shí),LMWR-DFB的中心波長在1 058 nm處，此時(shí)器件呈穩(wěn)定的單模輸出，如圖10(a)所示。相比于WR-LD的114 pm 3 dB光譜線寬，LMWR-DFB的3 dB光譜線寬被壓窄至39 pm，如圖10(b)所示。由此可以看出高階脊表面光柵對(duì)LMWR-DFB的光譜特性起到了改善作用。

圖10 器件輸出光譜。(a)LMWR-DFB；(b)WR-LD。

4 結(jié) 論

本文提出了一種LMWR-DFB激光器件，通過在50 μm寬的脊波導(dǎo)兩側(cè)刻蝕微結(jié)構(gòu)區(qū)，增大了高階側(cè)模的損耗，實(shí)現(xiàn)了高階側(cè)模的抑制，有效地消除了器件高輸出功率情況下遠(yuǎn)場光斑的“多瓣”現(xiàn)象；同時(shí)，借助高階脊表面DFB光柵，LMWR-DFB的光譜線寬得到進(jìn)一步的壓窄。在0.6 A驅(qū)動(dòng)電流下，相比于常規(guī)寬脊波導(dǎo)半導(dǎo)體激光器的206.03 mW輸出功率、0.39 W/A斜率效率、18.7%的電光轉(zhuǎn)換效率，LMWR-DFB在保持近基模輸出的情況下獲得了239.85 mW的輸出功率、0.46 W/A的斜率效率、21.6%的電光轉(zhuǎn)換效率。相比于WR-LD的114 pm 3 dB光譜線寬，LMWR-DFB的3 dB光譜線寬被壓窄至39 pm。此外，該器件采用了高階表面光柵設(shè)計(jì)，降低了光柵的制作工藝難度。但器件性能還有待提升，后續(xù)可在結(jié)構(gòu)參數(shù)及制備工藝方面進(jìn)一步優(yōu)化，得到更好的測試結(jié)果。

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