許 坤，付林杰，鐘發(fā)成，杜銀霄*，荀 孟

(1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 理學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.中國(guó)科學(xué)院 微電子研究所，北京 100029)

1 引 言

垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)是一種理想的面發(fā)射光源，具有光束質(zhì)量好、調(diào)制頻率高、單縱模、低閾值、易于實(shí)現(xiàn)片上測(cè)試、生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)，得到了日益廣泛的應(yīng)用[1]。與邊發(fā)射激光器相比，垂直腔面發(fā)射激光器的缺點(diǎn)是輸出功率較低。將激光器單元集成二維陣列可提高面發(fā)射激光器的輸出功率，但常規(guī)的陣列光束質(zhì)量和光譜特性都不好。采用相干耦合陣列方法可獲得高功率高光束質(zhì)量和高光譜質(zhì)量的激光，為實(shí)現(xiàn)高性能高亮度激光源提供了一種手段[2-3]。一般來(lái)說(shuō)，如果陣列每個(gè)單元的激光相位與其他單元同相，則整個(gè)陣列工作在同相模式下，便可以產(chǎn)生窄的光束。且陣列的發(fā)散角與陣列單元數(shù)成反比關(guān)系[4]，陣列規(guī)模較大時(shí)，光束質(zhì)量更好[5]。

目前已有多種方法用來(lái)制作VCSEL相干耦合陣列。例如空氣隙和反射率調(diào)制[6-7]。然而，這樣的陣列往往工作在反相模式，其遠(yuǎn)場(chǎng)上表現(xiàn)出中心強(qiáng)度最小值，因而在許多應(yīng)用中受到限制。利用光子晶體耦合結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)陣列同向模式輸出，但是需要嚴(yán)格設(shè)計(jì)且制作光子晶體要求高的刻蝕精度[8]。腔誘導(dǎo)反波導(dǎo)結(jié)構(gòu)能夠提供單元之間的強(qiáng)耦合，支持穩(wěn)定的同相模式，但是在制作過(guò)程中需要二次外延的工藝，工藝難度較大，成本高[9]。近期出現(xiàn)的質(zhì)子注入限制耦合VCSEL陣列方法工藝簡(jiǎn)單。其中質(zhì)子注入?yún)^(qū)域既能起到電流限制和單元間電隔離的作用，又有光耦合的作用。通過(guò)正確選擇質(zhì)子注入深度和合適的耦合間距，便可以激射出同相陣列模式。1×2同相質(zhì)子注入型陣列首先被Choquette等報(bào)道[10]。后來(lái)本課題組也報(bào)道了2×2、3×3同相耦合陣列[11-12]，實(shí)現(xiàn)了7單元陣列的大電流工作范圍的同相耦合輸出[13]。一維和二維陣列模式特性與間距的關(guān)系也已進(jìn)行了研究[14]。在這些陣列中，陣列單元的注入電流是相同的。雖然我們的器件設(shè)計(jì)支持同相模式激射，但是在實(shí)際的測(cè)試中，反相模式及中間模式也會(huì)常常同時(shí)出現(xiàn)。這是因?yàn)橥庋咏Y(jié)構(gòu)和制作工藝的任何不均勻，都會(huì)造成單元的差異，引起相對(duì)相位差。因此，對(duì)單元相位的嚴(yán)格控制是獲得同相模式的重要條件，陣列的光束質(zhì)量也會(huì)得到優(yōu)化。

本文通過(guò)多次質(zhì)子注入工藝使陣列單元間完全隔離，設(shè)計(jì)了新型電極實(shí)現(xiàn)單元內(nèi)注入電流的分別控制。通過(guò)控制電流的分別注入，實(shí)現(xiàn)了3單元三角排列陣列的高光束質(zhì)量同相模式的耦合輸出。

2 制備工藝

器件外延結(jié)構(gòu)通過(guò)金屬有機(jī)物化學(xué)汽相淀積生長(zhǎng)。共包含22.5對(duì)P型DBR和34.5對(duì)N型DBR.有源區(qū)包含3對(duì) GaAs-Al0.3Ga0.7As 量子阱，激射波長(zhǎng)為850nm。器件的制作工藝如下：首先，在外延片表面通過(guò)PECVD淀積3μm的二氧化硅，通過(guò)一步光刻工藝定義出單元圖形。通過(guò)ICP刻蝕，形成厚的質(zhì)子注入的掩膜。之后進(jìn)行關(guān)鍵的質(zhì)子注入工藝，質(zhì)子注入的劑量為1×1015cm-2，最大注入能量為315keV.為了達(dá)到單元間的完全絕緣效果，同時(shí)施加了多次小能量的疊加注入。為了使電流通過(guò)電極注入到單元內(nèi)，我們?cè)趩卧碗姌O區(qū)域淀積了金納米層，形成電極到各單元的電流注入通道。金納米層的引入會(huì)減小表面方阻，但是也會(huì)使透光率降低，考慮到二者的折中，在實(shí)驗(yàn)中選取的金納米層的厚度約為4nm。之后在外延片正表面制備15/300nm的Ti/Au電極。減薄襯底至100μm左右，在外延片背面濺射50/300nm的AuGeNi/Au電極。陣列的單元設(shè)計(jì)為6μm的正方形。參考之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，單元間距設(shè)計(jì)為4μm來(lái)實(shí)現(xiàn)同相模式的輸出[14]。圖1為設(shè)計(jì)的3單元三角陣列的器件結(jié)構(gòu)截面圖(A-A′方向)和實(shí)際的電極圖案。

圖1(a)雙電極陣列結(jié)構(gòu)沿A-A′方向剖面圖；(b)實(shí)際的電極結(jié)構(gòu)。
Fig.1(a)Dual electrode array along A-A′ direction profile.(b)Actual electrode structure.

3 測(cè)試結(jié)果與討論

首先對(duì)3個(gè)單元分別單獨(dú)進(jìn)行電流注入，測(cè)試的P-I-V(光功率-電流-電壓)特性曲線如圖2所示。插入的近場(chǎng)圖分別對(duì)應(yīng)3個(gè)單元注入電流為3.8，4.5，3.8mA時(shí)的激射情況?？梢钥闯觯挥袑?duì)應(yīng)的單元激射，意味著電流完全限制在相應(yīng)的注入孔內(nèi)。測(cè)試得到的電極間的電阻達(dá)到了6.5×106Ω，可以實(shí)現(xiàn)單元的有效絕緣。3個(gè)單元的閾值電流分別為3.3，4.25，3.5mA，串聯(lián)電阻分別為99.8，93.8，89.9Ω。在注入電流為5.0mA時(shí)，出光功率分別為0.648，0.278，0.650mW。由此可以看出3個(gè)單元存在明顯的差異。這主要是由于在制作過(guò)程中，不管是光刻工藝，還是ICP刻蝕工藝均存在不均勻性，這種不均勻性會(huì)造成器件的閾值、串聯(lián)電阻以及輸出功率的差異。如果3個(gè)單元注入電流相同，這些不均勻性會(huì)引起單元之間的相對(duì)相位差，無(wú)法保證陣列工作在同相模式下。單元間相位差的存在會(huì)造成遠(yuǎn)場(chǎng)次光斑的能量比例增大以及軸向遠(yuǎn)場(chǎng)峰值的偏移，影響光耦合效率。圖2(d)為3個(gè)電極同時(shí)注入相同電流時(shí)的測(cè)試結(jié)果。橫坐標(biāo)為3個(gè)單元的注入電流總和，此時(shí)陣列的閾值電流為8mA，相對(duì)于3個(gè)獨(dú)立單元的閾值電流之和有所減小，我們認(rèn)為這是由于光耦合有利于增益的提高。陣列串聯(lián)電阻為39.1Ω。注入電流為9mA下測(cè)試的二維和三維遠(yuǎn)場(chǎng)圖案如圖3所示。實(shí)驗(yàn)中所有的近場(chǎng)圖案通過(guò)光學(xué)顯微鏡與數(shù)字CCD連接測(cè)試，遠(yuǎn)場(chǎng)由光束質(zhì)量分析儀(Spiricon SP620)測(cè)試得到。從遠(yuǎn)場(chǎng)中可以看到，軸向中心光斑稍向下偏移，旁邊的6個(gè)次光斑能量分布不均勻，而且次光斑的能量比例增大，中心光斑與次光斑的強(qiáng)度比大約為1.5∶1，中心光斑占總能量的比例為19%。

圖2 1×3陣列的1(a)、2(b)、3(c)號(hào)單元單獨(dú)注入電流和同時(shí)注入電流(d)的P-I-V特性曲線。Fig.2 P-I-V characteristic curves of 1(a), 2(b) and 3(c) unit with current injecting separately and the array with current injecting simultaneously(d).

半導(dǎo)體材料的折射率受溫度和載流子的雙重影響。一方面，器件工作時(shí)溫度升高會(huì)引起材料的折射率增大，改變量一般為?n/?T=4×10-4K-1，其中T為溫度。另一方面，載流子的注入會(huì)引起折射率減小，改變量一般為?n/?N=-10-21cm3，其中N為載流子濃度。因此，單元內(nèi)注入電流的變化會(huì)引起單元內(nèi)材料折射率的變化，從而引起單元內(nèi)激射波長(zhǎng)的改變，最終使激光相位改變。為了實(shí)現(xiàn)陣列各單元間的同相耦合，電流的注入通過(guò)分離電極控制，采用兩兩匹配的方式，通過(guò)電流的調(diào)節(jié)，讓每?jī)蓚€(gè)單元的相位同相，最終獲得3個(gè)單元的同相位工作。圖4為測(cè)試的單元1、單元2和單元3在注入電流分別為3.2，2.8，3.1mA下的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)圖案。從近場(chǎng)圖案中看到，3個(gè)單元的光斑強(qiáng)度大致相同，在每?jī)蓚€(gè)單元間出現(xiàn)了耦合的小光斑，代表了同相耦合模式的輸出。從遠(yuǎn)場(chǎng)圖案看，強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在軸向中心，周?chē)霈F(xiàn)6個(gè)基本對(duì)稱(chēng)的次光斑。陣列的能量主要集中在中心光斑，比例大概為25.6%。此時(shí)中心光斑的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角僅為3.4°，而相同結(jié)構(gòu)的單個(gè)激光器的發(fā)散角為10°。大大減小的發(fā)散角體現(xiàn)了同相相干耦合陣列的優(yōu)勢(shì)。圖5為測(cè)試的該陣列的激射光譜，可以看出只有1個(gè)峰值出現(xiàn)，沒(méi)有多余的模式激射，說(shuō)明陣列工作在單模狀態(tài)。光譜的線寬為0.24nm，邊模抑制比為27dB。

圖3 測(cè)試陣列在9 mA電流下的近場(chǎng)(a)、二維(b)和三維(c)遠(yuǎn)場(chǎng)圖案。Fig.3 Near field(a), two-dimensional(b) and three-dimensional(c) far-field patterns of the array at 9 mA, respectively.

圖4 三單元陣列在注入電流分別為3.2(a)，2.8(b)，3.1(c) mA下的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)圖案。Fig.4 Near field and far-field patterns of three cell arrays at 3.2(a), 2.8(b), 3.1(c) mA, respectively.

圖5陣列在單元1、單元2和單元3注入電流分別為3.2，2.8，3.1mA下的激射光譜。
Fig.5Lasing spectra of the array under unit1, unit2and unit3injection current of3.2,2.8,3.1mA, respectively.

從以上的測(cè)試結(jié)果可以得出，陣列單元之間的相位差可以通過(guò)注入單元電流的控制而改變。通常我們?yōu)榱说玫礁吖馐|(zhì)量的陣列，盡量使單元間的相位差為0，即各單元趨近于同相狀態(tài)。為了說(shuō)明單元相位差對(duì)相干耦合陣列光束質(zhì)量的影響，我們利用FDTD-solution軟件模擬了陣列遠(yuǎn)場(chǎng)隨單元相位差的變化。建立陣列簡(jiǎn)化的模型，模型包含有源區(qū)和DBR，模型尺寸與實(shí)際器件的尺寸一致。設(shè)定每個(gè)單元為直徑為6μm的圓形，單元間距為4μm。假設(shè)每個(gè)單元內(nèi)有源區(qū)發(fā)出的激光為高斯光束光源，從有源區(qū)激射，通過(guò)P型DBR后進(jìn)入空氣。在P型DBR與空氣界面處設(shè)置一個(gè)探測(cè)器，用來(lái)接收光場(chǎng)分布。邊界條件設(shè)定為完全吸收邊界條件，在X方向和Y方向上對(duì)稱(chēng)。

圖6為模擬的不同的相位組合下，陣列的遠(yuǎn)場(chǎng)分布圖案。模擬中設(shè)定的單元的相位也呈現(xiàn)在圖中，從模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)3個(gè)單元相位均設(shè)定為0即完全同相時(shí)，遠(yuǎn)場(chǎng)的中心光斑才出現(xiàn)在軸向中心位置，中心光斑與周?chē)獍叩膹?qiáng)度對(duì)比最大，此時(shí)耦合效率也最高。只要任何單元與其他單元出現(xiàn)相對(duì)相位差，中心光斑便會(huì)偏離軸向中心位置，周?chē)獍叩膹?qiáng)度也會(huì)隨之增大，能量聚集在中心光斑的比例降低?？梢?jiàn)，單元的相位控制對(duì)相干耦合陣列的光束質(zhì)量有著重要的意義。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)電流的控制從而改變單元間相對(duì)相位的方法，在一定程度上能夠彌補(bǔ)制作工藝中帶給單元的不均勻性，對(duì)促進(jìn)器件的實(shí)際應(yīng)用有著重要的意義。

圖6 模擬的單元間相位差對(duì)陣列遠(yuǎn)場(chǎng)特性的影響Fig.6 Influence of phase difference between arrays on far-field characteristics of array

4 結(jié) 論

制備了新型分離電極結(jié)構(gòu)的3單元三角排列的質(zhì)子注入型垂直腔面發(fā)射激光器相干耦合陣列。通過(guò)對(duì)每個(gè)電極注入電流的獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單元相位的分別控制，獲得了具有高光束質(zhì)量的同相模式的激射。陣列遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角僅為3.4°，大約有25.6%的全部能量聚集在中心光斑。光譜為單模激射，線寬為0.24nm，邊模抑制比為27dB。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] IGA K.Surface-emitting laser-its birth and generation of new optoelectronics field [J].IEEEJ.Sel.Top.Quant.Electron., 2000, 6(6):1201-1202.

[2] GRABHERR M.High-power VCSELs：single devices and densely packed 2-D-arrays [J].IEEEJ.Sel.Top.Quant.Electron., 1999, 5(3):495-502.

[3] BOTEZ D, MAWST L, HAYASHIDA P,etal..Highpower, diffraction-limited-beam operation from phase-locked diode-laser arrays of closely spaced ‘leaky’ waveguides (antiguides) [J].Appl.Phys.Lett., 1988.53(6):464-466.

[4] HADLEY G R.Modes of a two-dimensional phase-locked array of vertical-cavity surface-emitting lasers [J].Opt.Lett., 1990, 15(21):1215-1217.

[5] BOTEZ D.Array-mode far-field patterns for phase-locked diode-laser array：coupled-mode theoryversussimple diffraction theory [J].IEEEJ.Quant.Electron., 1985, 21(11):1752-1755.

[6] YOO H J.Fabrication of a two-dimensional phased array of vertical-cavity surface-emitting lasers [J].Appl.Phys.Lett., 1993, 56(13):1198-1200.

[7] GOURLEY P L, WARREN M E, HADLEY G R,etal..Coherent beams from high efficiency two-dimensional surface-emitting semiconductor laser arrays [J].Appl.Phys.Lett., 1991, 58(9):890-892.

[8] SIRIANI D F，CHOQUETTE K D.In-phase, coherent photonic crystal vertical-cavity surface-emitting laser arrays with low divergence [J].Electron.Lett., 2010, 46(10):712-714.

[9] ZHOU D, MAWST L J.Two-dimensional phase-locked antiguided vertical-cavity surface-emitting laser arrays [J].Appl.Phys.Lett., 2000, 77(15):2307-2309.

[10] LEHMAN A C, CHOQUETTE K D.One- and two-dimensional coherently coupled implant-defined vertical-cavity laser arrays [J].IEEEPhoton.Technol.Lett., 2007, 19(19):1421-1423.

[11] MAO M M.High beam quality of in-phase coherent coupling 2-D VCSEL arrays based on proton-implantation [J].IEEEPhoton.Technol.Lett., 2014, 26(4):395-397.

[12] MAO M M.Implant-defined 3×3 in-phase coherently coupled vertical cavity surface emitting lasers array [J].IEEEPhoton.J., 2013, 5(6):1502606.

[13] XUN M, XU C, XIE Y Y,etal..Wide operation range in-phase coherently coupled vertical cavity surface emitting laser array based on proton implantation [J].Opt.Lett., 2015, 40(10):2349-2352.

[14] XUN M, XU C, XIE Y Y,etal..Modal properties of 2-D implant-defined coherently coupled vertical-cavity surface-emitting laser array [J].IEEEJ.Quant.Electron., 2015, 51(1):2600106.