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        GaAs/AlGaAs環(huán)形激光器的量子阱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

        2015-04-19 02:49:40毛陸虹郭維廉
        激光技術(shù) 2015年5期
        關(guān)鍵詞:載流子波導(dǎo)激光器

        郭 婧,謝 生,毛陸虹,郭維廉

        (天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院,天津300072)

        式中,F(xiàn)n和Fp分別表示自由電子和空穴的損耗系數(shù);n和p分別是電子和空穴載流子濃度;θ,r是柱坐標(biāo)系的坐標(biāo)變量,θ表示自x軸按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過的角,r表示在x-O-y面上的投影與原點(diǎn)間的距離。

        考慮到導(dǎo)帶有效質(zhì)量不對(duì)稱對(duì)能帶參量的張力,及躍遷時(shí)量子限制的影響等因素,連續(xù)性輸運(yùn)方程引入增益飽和項(xiàng)和載流子復(fù)合項(xiàng)。其中,自發(fā)復(fù)合速率表示為[15]:

        引 言

        全光信號(hào)處理是在光域內(nèi)直接完成開關(guān)、路由等信息處理功能,避免光/電/光轉(zhuǎn)換(optical electrical optical,O/E/O),因而是一種高速、高效、透明的信息處理方式。它是未來(lái)光纖通信系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵步驟。而實(shí)現(xiàn)全光信息處理的重點(diǎn)和難點(diǎn)則在于光交換和光存儲(chǔ)器件的構(gòu)建[1-4]。半導(dǎo)體環(huán)形激光器(semiconductor ring laser,SRL)不需要解離端面或光柵提供光反饋,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。更重要的是,SRL支持兩束傳播方向相反的光學(xué)模式,提供穩(wěn)定的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài),因而可實(shí)現(xiàn)光邏輯、光開關(guān)、光觸發(fā)等數(shù)字處理功能[5-8]。此外,SRL可按比例縮小尺寸、降低器件功耗、提高集成度。因此,半導(dǎo)體環(huán)形激光器被認(rèn)為是構(gòu)建大規(guī)模光子集成回路的基本單元。

        ERMAKOV等人[9]基于SRL的反向傳輸光模式,提出一種在片濾波光反饋結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧激光器,降低了調(diào)諧電流引起的頻率漂移。TRITA等人[10]基于SRL的本征雙穩(wěn)態(tài)和反偏波導(dǎo)的飽和吸收效應(yīng)制備出一款單片集成的全光計(jì)數(shù)觸發(fā)器,并實(shí)現(xiàn)500Mbit/s的最高比特率。LEE等人[11]采用旋轉(zhuǎn)體時(shí)域有限差分(body-of-revolution finite-difference time-domain,BOR-FDTD)方法設(shè)計(jì)出一款金屬-半導(dǎo)體等離子體共振的納米環(huán)形腔激光器,器件面積僅為0.038μm2,仿真結(jié)果表明,該激光器激射波長(zhǎng)在1450nm附近,最小閾值僅為75nW,因而有望在“絕緣體上硅”(siliconon-insulator,SOI)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模光電集成。閾值電流密度作為半導(dǎo)體環(huán)形激光器的一個(gè)重要指標(biāo),對(duì)激射效率、模式穩(wěn)定性都有重要影響,而且閾值電流產(chǎn)生的熱串?dāng)_也會(huì)影響激光器陣列或其它單片集成器件的性能和穩(wěn)定性。由于量子阱結(jié)構(gòu)對(duì)激光器的閾值電流具有重要影響,因而優(yōu)化量子阱結(jié)構(gòu)對(duì)SRL器件的推廣應(yīng)用具有重要意義。

        作者從半導(dǎo)體激光器的基本理論出發(fā),推導(dǎo)出單波導(dǎo)耦合環(huán)形激光器的閾值電流密度與多量子阱結(jié)構(gòu)參量的函數(shù)關(guān)系,并采用器件仿真軟件ATLAS建立了等效的器件模型,仿真分析了量子阱數(shù)、阱寬及壘厚對(duì)閾值電流及其溫度相關(guān)性的影響,最后得到一組較佳的多量子阱結(jié)構(gòu)參量。

        1 理論模型

        1.1 器件結(jié)構(gòu)

        半導(dǎo)體環(huán)形激光器的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示,由直波導(dǎo)、有源環(huán)形諧振腔和耦合器構(gòu)成。環(huán)形諧振腔由提供光增益的多量子阱(multiple quantum well,MQW)材料構(gòu)成。采用圖2a所示的GaAs/AlGaAs多量子阱,波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為如圖2b所示的MQW脊型波導(dǎo),圖中d表示脊型波導(dǎo)的刻蝕深度。波導(dǎo)芯層為GaAs/Al0.5Ga0.5As多量子阱有源區(qū),上、下包層分別為 p 型Al0.3Ga0.7As 和 n 型 Al0.5Ga0.5As。

        Fig.1 Schematic illustration of a typical SRL coupled with single waveguide

        Fig.2 a—energy band diagram of GaAs/AlGaAs MQW b—cross section of MWQ ridge waveguide

        1.2 理論分析

        根據(jù)F-P腔激光器的振蕩條件[12],圖1所示環(huán)形激光器的閾值增益條件可修正為[13]:

        式中,T=1-κ2為耦合器的功率傳輸比,κ為振幅耦合比,g為材料增益,αw=αi+αb+αs為環(huán)形腔的損耗,其中αi為內(nèi)部損耗,αb為彎曲損耗,它是環(huán)半徑和刻蝕深度的函數(shù),而αs是由波導(dǎo)側(cè)壁粗糙所引起的散射損耗。L=2πR為腔長(zhǎng),R為環(huán)半徑,neff為環(huán)形腔的有效折射率,λ為激射波長(zhǎng)。

        根據(jù)(1)式,半導(dǎo)體環(huán)形激光器的諧振條件和增益條件可分別表示為:

        式中,m為整數(shù)。

        當(dāng)注入電流較大時(shí),材料增益趨于飽和。此時(shí),多量子阱環(huán)形激光器的增益可采用對(duì)數(shù)形式[14]:

        式中,J為電流密度,g0為增益飽和系數(shù),J0為透明電流密度,M為量子阱數(shù)。若忽略量子阱間的耦合,且注入電流均勻分布,則多量子阱結(jié)構(gòu)的光學(xué)限制因子??山茷閱瘟孔于宓腗倍[12],即:

        在閾值條件下,半導(dǎo)體環(huán)形激光器滿足:

        式中,αc為SRL的耦合損耗。對(duì)于本文中所采用的單波導(dǎo)耦合環(huán)形激光器結(jié)構(gòu),αc可表示為:

        聯(lián)立(4)式、(6)式及(7)式,可得閾值電流密度:

        結(jié)合(5)式可以看出,多量子阱結(jié)構(gòu)在保持量子阱約束效應(yīng)的同時(shí),等效地展寬有源層厚度,顯著提高多量子阱結(jié)構(gòu)的光學(xué)限制因子,因而有利于降低器件的閾值電流。

        對(duì)上式求導(dǎo),即可求得最佳的量子阱數(shù):

        2 仿真結(jié)果及分析

        基于上述理論分析,采用器件仿真軟件ATLAS建立環(huán)形激光器的等效模型,通過掃描環(huán)形激光器的量子阱數(shù)、阱厚和壘厚,分析其對(duì)器件閾值電流的影響,工作溫度分別取250K,300K和350K。其中,本文中所采用的光增益模型為[15]:

        為使仿真器件符合實(shí)際工作模式,器件模型中考慮了自由載流子吸收損耗,該損耗表示為[15]:

        式中,F(xiàn)n和Fp分別表示自由電子和空穴的損耗系數(shù);n和p分別是電子和空穴載流子濃度;θ,r是柱坐標(biāo)系的坐標(biāo)變量,θ表示自x軸按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過的角,r表示在x-O-y面上的投影與原點(diǎn)間的距離。

        考慮到導(dǎo)帶有效質(zhì)量不對(duì)稱對(duì)能帶參量的張力,及躍遷時(shí)量子限制的影響等因素,連續(xù)性輸運(yùn)方程引入增益飽和項(xiàng)和載流子復(fù)合項(xiàng)。其中,自發(fā)復(fù)合速率表示為[15]:

        式中,β是自發(fā)輻射耦合因子,γCOPT是輻射復(fù)合速率系數(shù),ni是本征載流子濃度,Nl是縱模數(shù)量。

        此外,模型中還考慮了Auger復(fù)合和間接(shockley-read-hall,SRH)復(fù)合對(duì)器件性能的影響。仿真過程中采用Newton算法解模型方程,仿真所用器件結(jié)構(gòu)參量和關(guān)鍵物理參量分別如表1和表2中所列。表2中FCN為自由電子載流子(free carrier electron),F(xiàn)CP為自由空穴載流子(free carrier positive hole)。

        Table1 Geometry parameters of the SRL

        Table 2 Physical parameters used in the simulation

        圖3是閾值電流密度Jth隨量子阱數(shù)M的變化關(guān)系。其中環(huán)形激光器半徑R=150μm,勢(shì)阱厚度和勢(shì)壘厚度分別取20nm和10nm。由圖可見,工作溫度一定時(shí),閾值電流密度隨量子阱數(shù)先減小后增加,最小閾值電流密度與M=3相對(duì)應(yīng)。這與采用(9)式計(jì)算所得的理論優(yōu)化值基本符合。增加量子阱數(shù)有利于載流子在量子效應(yīng)下快速移動(dòng),但量子阱數(shù)增加到一定程度后,散熱、非輻射復(fù)合等問題變得突出,導(dǎo)致內(nèi)部損耗隨之增加,進(jìn)而使閾值電流密度增大[16]。另外,在量子阱數(shù)M確定的情況下,閾值電流密度隨著溫度的升高而增大。這是由于隨著工作溫度升高,注入載流子的能量分布展寬,使得透明載流子濃度增加引起的。

        Fig.3 Well number vs.threshold current density at various operaring temperatures

        Fig.4 Well width vs.threshold current density with various operating temperatures

        為進(jìn)一步降低閾值電流,下面的仿真分析采用最佳量子阱數(shù)M=3。在勢(shì)壘厚度db固定時(shí),閾值電流密度Jth隨勢(shì)阱厚度dw的變化如圖4所示。工作溫度一定時(shí),閾值電流密度隨阱厚先減小后增加,dw=20nm附近的閾值電流密度最低。理論分析可知,當(dāng)dw<20nm后,光學(xué)限制因子Гw降低使得損耗急劇增大,因而閾值電流密度升高;當(dāng)dw>20nm后,載流子濃度減小造成增益降低,進(jìn)而增大閾值電流密度。另外,工作溫度越高,阱厚對(duì)閾值電流密度的影響越明顯。因此,需要選擇合適的阱厚來(lái)獲得最低的閾值電流及其溫度依賴性。

        圖5中給出了閾值電流密度Jth隨勢(shì)壘厚度db變化的關(guān)系曲線。由圖可見,閾值電流密度是勢(shì)壘厚度的弱函數(shù),勢(shì)壘厚度db=10nm時(shí)的閾值電流最小。這是因?yàn)樵黾恿孔于宓膭?shì)壘厚度可以減小阱間互作用,但光學(xué)限制因子也會(huì)因此減小,故所需光增益變大。在勢(shì)壘等高的多量子阱中,獲得高增益所需的大注入電流會(huì)引起載流子的高能級(jí)占有,使增益譜展寬,因而閾值電流密度增加[17]。

        Fig.5 Barrier thickness vs.threshold current density with various temperatures

        3 結(jié)論

        基于F-P激光器的振蕩條件,推導(dǎo)出適合單波導(dǎo)耦合環(huán)形激光器的閾值電流密度和最佳量子阱數(shù)表達(dá)式,為環(huán)形激光器的閾值電流優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上,采用器件仿真軟件ATLAS建立了環(huán)形激光器的等效模型,并分析了不同工作溫度時(shí),量子阱結(jié)構(gòu)參量對(duì)閾值電流密度及其溫度依賴性的影響。仿真結(jié)果表明,對(duì)于本文中所采用的材料體系和器件結(jié)構(gòu),最佳量子阱結(jié)構(gòu)參量為M=3,dw=20nm,db=10nm。

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