何斌太，劉國(guó)軍，魏志鵬，安寧，劉鵬程，劉超，王旭

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 高功率半導(dǎo)體激光國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022）

如今光纖通信已經(jīng)成為當(dāng)代通信的主流，是信息社會(huì)的主要支柱之一。垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）以其光束質(zhì)量好、閾值電流低、易于集成和制造成本低廉等優(yōu)點(diǎn)成為光纖通信系統(tǒng)中重要的光源［1］。與石英光纖第二低損窗口相對(duì)應(yīng)的1.3μm VCSEL能夠滿足當(dāng)前城域網(wǎng)的需求，在中遠(yuǎn)距離高速數(shù)據(jù)通信、光互聯(lián)和光識(shí)別等方面有著廣闊的應(yīng)用前景［2］。鑒于AlGaAs材料可以構(gòu)成高性能的分布布拉格反射鏡（DBR），因此多采用與GaAs基材料晶格相匹配的有源材料。已經(jīng)證實(shí)InGaNAs/GaAs材料系可以實(shí)現(xiàn)1.3μm波長(zhǎng)激射［3，4］，然而N組分對(duì)材料增益峰值波長(zhǎng)影響明顯且生長(zhǎng)不易控制，導(dǎo)致器件的光學(xué)特性及可靠性受到很大的影響［5］。高質(zhì)量的應(yīng)變GaAsSb三元化合物可用分子束外延法（MBE）生長(zhǎng)在GaAs上，且不易產(chǎn)生三維成核，并在相當(dāng)大的近紅外范圍內(nèi)能產(chǎn)生很強(qiáng)的發(fā)光。為了研制能滿足光纖通信應(yīng)用要求的高性能1.3μm VCSEL，我們以GaAsSb/GaAs作為有源材料，基于PICS3D軟件建立激光器仿真模型，對(duì)材料增益、器件的閾值電流和輸出功率等性能參數(shù)進(jìn)行了分析。

1 理論分析

VCSEL核心結(jié)構(gòu)主要包括DBR和有源區(qū)。良好的器件特性往往是由材料性質(zhì)及其結(jié)構(gòu)所決定的，下面分別介紹DBR與有源區(qū)的設(shè)計(jì)。

1.1 DBR的設(shè)計(jì)

由于VCSEL的有源層很薄，只有亞微米量級(jí)，比起邊發(fā)射激光器的有源層諧振腔要小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因此就要求DBR具有很高的光反射率。

DBR一般是由多周期的高低反射膜堆疊而成，每個(gè)周期高低折射率層的厚度要嚴(yán)格遵循λ/4光學(xué)厚度。半導(dǎo)體化合物材料的折射率主要受材料的禁帶寬度和入射光的波長(zhǎng)這兩個(gè)因素影響，計(jì)算公式為：

式中，

其中，Eg(x,y)為材料的禁帶寬度；ω為入射光的頻率；A(x,y)為Eg(x,y)與Eg(x,y)+Δ(x,y)之間的躍遷幾率；B(x,y)為非色散項(xiàng)；Δ(x,y)為分裂能量。GaAs和AlAs二元材料參數(shù)如表1所示。

表1 300K時(shí)GaAs和AlAs材料參數(shù)

利用表1參數(shù)計(jì)算出，1.3μm條件下，GaAs的折射率為3.451，AlAs的折射率為2.930。由于VCSEL有源區(qū)厚度較小，為了滿足激射，DBR反射率要達(dá)到99.5%。采用GaAs/Al0.9Ga0.1As材料系構(gòu)成DBR，上、下DBR對(duì)數(shù)分別為26和36.5。上DBR反射率達(dá)到99.5%，下DBR反射率達(dá)到99.9%。圖1（a）和圖1（b）分別為模擬的上DBR和下DBR的反射光譜。

圖1 模擬的上DBR和下DBR的反射光譜

1.2 有源區(qū)的設(shè)計(jì)

有源區(qū)作為VCSEL載流子復(fù)合區(qū)域，采用量子阱結(jié)構(gòu)?；诹孔于鍛?yīng)變理論與固體模型理論，數(shù)值上求解一維有限深方勢(shì)阱薛定諤方程，從而確定量子阱結(jié)構(gòu)中材料的組分及厚度。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［6-9］與理論分析，GaAsSb/GaAs材料的能帶呈II型排列。

圖2 GaAs0.64Sb0.36/GaAs量子阱的能帶圖

量子阱材料的選擇主要考慮材料的晶格匹配和能帶帶隙。經(jīng)過對(duì)比不同組分GaAsxSb1-x及阱寬對(duì)器件發(fā)光波長(zhǎng)的影響，最終采用GaAs0.64Sb0.36/GaAs材料，量子阱寬度為7nm。根據(jù)上述理論計(jì)算出GaAs0.64Sb0.36/GaAs量子阱的能帶圖如圖2所示。在量子阱的個(gè)數(shù)選擇上，隨著量子阱個(gè)數(shù)增加，量子阱增益區(qū)所提供的光增益會(huì)不斷地增加。但是量子阱個(gè)數(shù)增加到一定的數(shù)值時(shí)，將對(duì)器件的閾值電流密度產(chǎn)生影響［10］。另外考慮到材料的臨界厚度，本文采用單量子阱結(jié)構(gòu)。

1.3 器件結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)上述理論分析，本文設(shè)計(jì)的1.3μm GaAs-Sb/GaAs量子阱垂直腔面發(fā)射激光器詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 1.3μm GaAsSb/GaAs VCSEL結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 器件仿真與結(jié)果分析

根據(jù)表2所示的結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用PICS3D軟件模擬了氧化孔徑為7μm器件特性，圖3是器件結(jié)構(gòu)的剖面圖，仿真結(jié)果如圖4至圖7所示。

圖3 器件結(jié)構(gòu)的剖面圖

圖4為沿生長(zhǎng)方向材料折射率和樣品內(nèi)駐波之間的分布圖示。從圖中可以看出中間駐波剛好位于量子阱的阱區(qū)，二者形成最大的重疊，這時(shí)增益可以達(dá)到最大值。

圖4 生長(zhǎng)方向材料的折射率與駐波

圖5為注入不同濃度載流子時(shí)，量子阱材料的增益圖。從下到上載流子濃度由0.5×1018cm-3變到5×1018cm-3，間隔為0.5×1018cm-3。從圖中可以看出在不同注入濃度時(shí)，在1.3μm處均達(dá)到最大值。

圖5 不同載流子濃度下材料增益曲線

圖6為器件整體往返增益隨波長(zhǎng)的變化圖。從圖中可以看出，在相當(dāng)大波長(zhǎng)范圍內(nèi)增益是均勻的，這是器件在所需的工作波長(zhǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的基本要求。

圖6 往返增益隨波長(zhǎng)變化圖

圖7為器件輸出功率與輸入電流關(guān)系曲線圖。從圖中可以看出，閾值電流為0.8mA，斜率效率為0.017W/A，當(dāng)輸入電流為8mA時(shí)，輸出功率達(dá)到0.12mW。

圖7 器件P-I曲線

3 結(jié)論

本文從理論上計(jì)算AlGaAs材料的折射率，模擬了DBR反射特性，得到符合器件要求的DBR?；赑ICS3D軟件設(shè)計(jì)了氧化孔徑為7μm的VCSEL器件仿真模型，對(duì)GaAsSb/GaAs材料增益及器件光電特性進(jìn)行仿真，得到閾值電流為0.8mA，斜率效率為0.017W/A，當(dāng)輸入電流為8mA時(shí)，輸出功率為0.12mW的仿真結(jié)果。該設(shè)計(jì)具有較好的輸出特性，能夠滿足光纖通訊技術(shù)對(duì)半導(dǎo)體激光器光源的性能要求。

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