邱橙 陳泳屹 高峰 秦莉 王立軍
1)(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,發(fā)光學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長春 130010)
2)(中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)
單縱模的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器被廣泛地應(yīng)用于堿基原子鐘和光纖激光器的泵浦激光光源[1]、精確的氣體探測和譜分析[2]、相干光探測和激光雷達(dá)[3,4]、集成光子學(xué)[5-8]等諸多領(lǐng)域.為了實(shí)現(xiàn)激光器的單縱模輸出,通常會在芯片上加入光柵一類的模式選擇結(jié)構(gòu).采用分布反饋式光柵(distribute feedback grating,DFB)的半導(dǎo)體激光器是這類激光器中較為成熟和主流的一類.窄線寬的可調(diào)諧單縱模DFB半導(dǎo)體激光器不但可以滿足工作波長的浮動調(diào)制需求,還可以提高激光探測的效率.因此,這種激光器在可調(diào)制的激光雷達(dá)[9]、三維感知、智能駕駛和微分吸收式激光雷達(dá)(通過探測特定氣體的吸收譜線實(shí)現(xiàn)距離探測)[10]等領(lǐng)域都有非常大的應(yīng)用潛力.采用分離電極構(gòu)建的多段式折射率耦合型DFB激光器可以有效地增加激光器的波長調(diào)制范圍[11-15],但是需要對注入電流進(jìn)行復(fù)雜而精確的控制[16],致使激光器很難長時(shí)間維持在一個(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài).同時(shí),激光器波長的穩(wěn)定性同樣也是DFB激光器的一項(xiàng)重要參數(shù).泵浦摻鉺激光放大器(EDFA)和激光陀螺儀都需要泵浦光源的波長非常穩(wěn)定[17].熱集聚和電流變化都會引起常規(guī)的DFB半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生明顯的波長漂移[18,19],并因此嚴(yán)重的影響光泵浦的效率.
另一方面,利用有源多模干涉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(multimode interference,MMI)作為激光器的增益區(qū),相較于傳統(tǒng)的窄條型半導(dǎo)體激光器,其輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率更高[20-22].但是多模干涉波導(dǎo)增益區(qū)域的工作狀態(tài)受溫度變化影響明顯.隨著注入電流的不斷增大,激光器中的非輻射復(fù)合和電流在整個(gè)器件結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的焦耳熱也在不斷上升,當(dāng)電流達(dá)到一定數(shù)值之后,半導(dǎo)體激光器的散熱系統(tǒng)無法將器件的工作溫度穩(wěn)定在一個(gè)恒定的水平,在這種情況下激光器的工作溫度會不斷上升,激光器的波導(dǎo)的折射率會隨溫度上升而變化,當(dāng)有效折射率發(fā)生變化之后,激光器激射的中心波長和光學(xué)模式都可能因此而發(fā)生改變,尤其對于MMI,折射率變化對于自鏡像點(diǎn)的位置有較為明顯的影響[20],而不準(zhǔn)確的自鏡像點(diǎn)又會顯著地降低多模干涉波導(dǎo)激光器的輸出功率和轉(zhuǎn)化效率.
為了提高DFB激光器的輸出功率,抑制MMI激光器的溫度漂移和跳摸現(xiàn)象,本文提出了一種基于i線光刻技術(shù),并結(jié)合了高階增益式耦合DFB光柵和多模干涉波導(dǎo)增益區(qū)結(jié)構(gòu)的激光芯片結(jié)構(gòu),由于芯片結(jié)構(gòu)無需二次外延,采用的高階光柵的特征尺寸都在微米級以上,這種激光器芯片結(jié)構(gòu)在提高了傳統(tǒng)的DFB激光器的輸出功率的基礎(chǔ)上,還進(jìn)一步簡化了目前商用的DFB邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的制作工藝,為這類激光芯片的推廣和實(shí)用化提供了一個(gè)新的思路.
如圖1所示,結(jié)合了增益耦合式DFB光柵的有源MMI激光芯片的結(jié)構(gòu)主要包括了帶有增益耦合式DFB光柵的脊型單橫模增益波導(dǎo)、有源多模干涉波導(dǎo)區(qū)域以及其他的不含增益耦合DFB光柵的脊型增益區(qū).
圖1 結(jié)合了增益耦合式DFB光柵的有源MMI激光芯片的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.Schematic of an active MMI laser chip with gain coupled DFB grating.
對于這種激光芯片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要就是對帶有增益耦合型DFB光柵的增益波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和對有源MMI的設(shè)計(jì)兩部分.
增益型DFB光柵的有源波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是在脊型的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上,通過淺刻蝕的方法在有源波導(dǎo)的上表面定義出周期性的絕緣槽結(jié)構(gòu),通過在刻蝕掉的絕緣槽內(nèi)沉積二氧化硅薄膜的方式可以對定義的絕緣槽進(jìn)行良好的電隔離,之后只需在整個(gè)波導(dǎo)的上表面構(gòu)造歐姆接觸電極,即可形成周期性的電注入電極結(jié)構(gòu).增益型的DFB激光器結(jié)構(gòu)示意如圖2.
圖2 增益耦合式DFB有源波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的示意圖[23]Fig.2.Schematic of gain coupled DFB active waveguide structure[23].
增益型的DFB光柵的反饋和濾波性能主要受到周期性刻蝕的絕緣槽的深度和寬度以及光柵周期的影響,由于刻蝕絕緣槽在引入周期性增益耦合的過程中也同時(shí)引入了周期性的折射率耦合的部分,絕緣槽的深度和寬度將會影響到折射率耦合項(xiàng)耦合系數(shù).因此,設(shè)計(jì)和優(yōu)化絕緣槽深度和寬度,一方面增強(qiáng)增益耦合效應(yīng),另一方面抑制折射率耦合效應(yīng)是設(shè)計(jì)這類DFB光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要任務(wù).
對于DFB光柵,耦合系數(shù)κ是表征光柵反饋能力的重要參數(shù),在本節(jié)所提出的光柵結(jié)構(gòu)下,它具有以下的形式:
式中:κ為DFB光柵的耦合系數(shù);k0是光的真空波數(shù);Г是外延層的限制因子; Δn是有效折射率的變化量;l是光柵階數(shù);Λ是光柵周期;Lg是溝槽的長度; Δg是波導(dǎo)中增益的變化量.式中等號右邊第一項(xiàng)是折射率變化引起的耦合系數(shù)的變化,等號右面第二項(xiàng)是由增益變化引起的耦合系數(shù)的變化.從(1)式可以看出,為了減小折射率變化對耦合系數(shù)κ的貢獻(xiàn),需要盡量減小有效折射率的變化量Δn,具體到本文的光柵結(jié)構(gòu),就是盡量采用淺刻蝕,刻蝕的深度越淺,有效折射率的變化就會越小.圖3是利用COMSOL Multiphysics仿真計(jì)算出的耦合系數(shù)κ的實(shí)部與虛部(即折射率變化引起的耦合系數(shù)和增益變化引起的耦合系數(shù))與絕緣槽刻蝕深度Dg之間的關(guān)系.
圖3 增益耦合式DFB光柵的刻蝕深度與耦合系數(shù)κ的關(guān)系[23]Fig.3.Relationship between groove depth and couple coefficient of gain coupled DFB grating[23].
刻蝕絕緣槽在引入折射率變化的同時(shí),還會引起光在波導(dǎo)內(nèi)傳輸過程中的散射損耗,同樣利用COMSOL Multiphysics可以對不同絕緣槽深度下的光束傳播狀態(tài)進(jìn)行仿真,得到散射損耗與溝槽深度之間的關(guān)系,圖4為兩種不同刻蝕深度下光傳輸?shù)姆抡娼Y(jié)果.根據(jù)仿真計(jì)算溝槽深度為600 nm時(shí)的散射損耗為0.15%,刻蝕深度為1200 nm時(shí)的散射損耗高達(dá)16.07%.
對于耦合系數(shù)的虛部,即增益變化產(chǎn)生的耦合系數(shù),主要是需要計(jì)算增益在整個(gè)光傳輸方向上的分布情況.又由半導(dǎo)體激光器或光放大器的增益正比于增益介質(zhì)當(dāng)中的載流子濃度這個(gè)關(guān)系可知,載流子在量子阱增益區(qū)上的分布情況即可代表增益的分布狀況.因此,首先利用PICS 3D模擬仿真增益耦合DFB波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的載流子分布狀況,利用PICS 3D模擬的載流子分布狀況如圖5.
在獲得了整個(gè)截面上的載流子分布信息之后,可截取載流子在量子阱增益區(qū)截面附近的分布情況,而這個(gè)分布狀態(tài)即可用于表示增益變化的部分狀態(tài),圖6為載流子濃度在量子阱截面周圍兩個(gè)周期內(nèi)的分布狀況.
隔離槽的寬度同樣會對載流子的分布狀況產(chǎn)生影響,隔離槽越寬,對兩側(cè)的載流子的限制作用就越強(qiáng),增益的變化也會更加顯著,圖7是仿真計(jì)算得到的兩個(gè)光柵周期內(nèi)的不同的隔離槽深度下載流子濃度在量子阱上的分布狀況.
通過以上的分析,并考慮接觸式i線光刻的光刻精度,選取了光柵周期為4.5 μm,絕緣溝槽長度為3 μm,絕緣溝槽深度在500—800 nm之間的光柵結(jié)構(gòu)作為整個(gè)結(jié)構(gòu)的DFB增益波導(dǎo)區(qū).
圖4 利用COMSOL Multiphysics仿真的的光束傳播的光場分布狀態(tài)[23](a)絕緣槽深度600 nm;(b)絕緣槽深度1200 nmFig.4.Light field distribution of beam propagation simulated by COMSOL Multiphysic[23]:(a)Insulation groove depth 600 nm;(b)insulation groove depth 1200 nm.
對于有源多模干涉波導(dǎo)增益區(qū)的設(shè)計(jì),主要是確定多模干涉波導(dǎo)區(qū)域的長度和寬度.MMI的寬度越大,結(jié)構(gòu)內(nèi)所容納的模式就越多,該增益區(qū)域所能提供的增益也就越大.但是器件的長度也會隨之增加.MMI的長度隨寬度的變化關(guān)系如(2)式[24]所示,
式中:Lπ為MMI結(jié)構(gòu)的拍長;We為MMI的有效寬度.對于 1X1的 MMI結(jié)構(gòu),其長度L等于Lπ長度的3倍,故L也正比于We的平方.這表明MMI的長度會隨著它的寬度的變化迅速增長,所以在考慮器件整體尺寸不宜過大的情況下,MMI的寬度不宜設(shè)計(jì)的過大.通過Lumerical公司的MODE Solution軟件對一定波長下光通過MMI結(jié)構(gòu)時(shí)的光場分布進(jìn)行了仿真,得到了所需的MMI區(qū)域的寬度和長度的尺寸信息.具體仿真結(jié)果示意如圖8所示.
圖5 利用PICS 3D仿真的一個(gè)周期內(nèi)的載流子分布情況Fig.5.Simulation results of carrier distribution in one period using PICS 3D.
圖6 量子阱上載流子濃度在兩個(gè)光柵周期內(nèi)的分布情況Fig.6.Distribution of carrier concentration on quantum well in two grating period.
圖7 不同隔離槽深度量子阱上載流子濃度在兩個(gè)光柵周期內(nèi)的分布情況[23]Fig.7.Distribution of carrier concentration on quantum well in two grating periods with different isolation groove depth[23].
圖8 利用MODE Solution軟件仿真的1X1的MMI結(jié)構(gòu)內(nèi)的光場分布Fig.8.Simulation results of light field distribution in 1X1 MMI structure using MODE Solution software.
圖8中藍(lán)色虛線所標(biāo)示的是MMI結(jié)構(gòu)的中心線,通過對中心線上光場強(qiáng)度的觀察,找到光場強(qiáng)度最高的一點(diǎn),即為1X1的MMI結(jié)構(gòu)的自鏡像點(diǎn)的位置,也就是圖8中藍(lán)色虛線與紅色虛線的交點(diǎn)位置.
波導(dǎo)脊型區(qū)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),主要利用COMSOL MultiPhysics的波動光學(xué)模塊對脊型區(qū)域中的光學(xué)模式進(jìn)行仿真,確保光在激光器的窄脊型波導(dǎo)區(qū)域中是以單橫模的形式進(jìn)行傳播的,并對波導(dǎo)的脊寬和脊高進(jìn)行了優(yōu)化,盡可能地降低光在波導(dǎo)中的模式傳輸損耗.最終選擇了脊寬為6 μm,脊高1.2 μm的脊型波導(dǎo)區(qū)域結(jié)構(gòu).
圖9 利用COMSOL MultiPhysics仿真的脊型波導(dǎo)內(nèi)的二維光場模式分布Fig.9.2D optical field mode distribution of ridge waveguide structure using Comsol Multiphysics.
結(jié)合了增益耦合式DFB光柵的有源MMI激光芯片的制備流程如下: 利用MOCVD在GaAs晶元襯底上生長具有量子阱和對應(yīng)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的外延層,本文采用增益波長在980 nm的量子阱外延層; 利用i線光刻定義電隔離槽位置,利用ICP干法刻蝕,得到寬度為3 μm深度為600 nm的電隔離槽; 再次使用i線光刻定義脊型波導(dǎo)區(qū)域和有源多模干涉波導(dǎo)區(qū)域并利用ICP刻蝕,得到6 μm寬的脊型波導(dǎo)區(qū)和19.6 μm寬的多模干涉波導(dǎo)區(qū)域,刻蝕的深度910 nm.之后利用PECVD,在表面沉積生成一層厚300 nm的二氧化硅絕緣薄膜,再利用i線光刻在二氧化硅薄膜上定義出電極窗口的位置,再通過RIE干法刻蝕,打開絕緣層上的窗口,最后采用氣相物理沉積或磁控濺射的方式蒸鍍300 nm的Ti-Pt-Au合金材料,并在400 ℃的條件下進(jìn)行退火處理,形成歐姆接觸的P面電極.DFB增益耦合光柵部分的制備工藝流程如圖10所示.
圖10 DFB增益耦合光柵部分的制備工藝流程Fig.10.Schematic processing flow of gain coupled DFB laser diode.
為了能夠讓激光芯片具有良好的散熱性能,在完成正面的器件制備工藝之后,還需要要對外延芯片的背面進(jìn)行減薄處理,從N面方向?qū)⑿酒瑴p薄到120 nm并對減薄的表面進(jìn)行化學(xué)拋光和物理拋光; 在完成減薄和拋光之后,同樣使用氣相物理沉積或磁控濺射的方法,在N面蒸鍍或?yàn)R射500 nm的Ni-Ge-Au-Ni-Au合金并在420 ℃的條件下進(jìn)行退火處理,形成N面電極.之后再對芯片進(jìn)行解理和C-mount封裝,就可以進(jìn)行最后的測試了.從以上的工藝流程可以看出,器件的整個(gè)工藝過程不牽扯二次外延技術(shù),對光刻精度的要求也在2 μm的水平,是一種易于實(shí)現(xiàn)和推廣的工藝技術(shù)手段.圖11為增益耦合型DFB光柵的掃描電鏡照片和整個(gè)激光芯片封裝后的照片.
圖11 (a)DFB增益耦合光柵的俯視掃描電鏡圖像;(b)DFB增益耦合光柵的縱向截面掃描電鏡圖像;(c)經(jīng)過C-mount封裝的增益耦合式DFB光柵MMI激光器的照片F(xiàn)ig.11.(a)Overlooking SEM image of gain coupled DFB grating;(b)SEM image of longitude cross-section view of gain coupled DFB grating;(c)photo image of C-mounted MMI plus DFB laser diode.
為了對器件的性能有更準(zhǔn)確和直觀的了解,在制備MMI + DFB的激光芯片結(jié)構(gòu)的同時(shí),還在同一塊襯底上,利用相同的工藝制備了不含DFB結(jié)構(gòu)MMI激光器和不含MMI結(jié)構(gòu)的窄脊DFB激光器作為對照.由于采用相同的光刻板,工藝條件也完全相同,對幾種器件的性能測試結(jié)果就可以體現(xiàn)器件在結(jié)構(gòu)上的差異.
首先,對3種器件在連續(xù)電流工作狀態(tài)下的功率輸出特性進(jìn)行表征,圖12為3種器件的功率-電流特性測試結(jié)果.
圖12 DFB + MMI激光器結(jié)構(gòu)在連續(xù)電流工作狀態(tài)下的功率-電流輸出特性Fig.12.P-I output characterization curve of MMI plus DFB laser diode under the condition of continuous current operation.
從圖12的測試結(jié)果可以看出,在注入電流較小時(shí),不含DFB結(jié)構(gòu)的MMI激光芯片具有最小的閾值電流和最高的斜率轉(zhuǎn)換效率,在500 mA時(shí),它的斜率效率達(dá)到了0.25 W/A,這說明之前所討論的DFB光柵結(jié)構(gòu)在光傳輸過程中所引起的散射損耗確實(shí)存在的,由圖4的仿真結(jié)果可以看出,光在通過每一個(gè)DFB光柵結(jié)構(gòu)時(shí)都會由于散射造成額外的傳輸損耗,而激光器的斜率效率取決于激光器一個(gè)光程內(nèi)的增益和傳輸損耗之和,散射損耗增大了DFB激光器的傳輸損耗,所以降低了DFB激光器的斜率效率和提高了DFB激光器的閾值電流.同時(shí),還可以從測試結(jié)果看出,對于具有DFB光柵的兩種激光器,含有MMI增益區(qū)結(jié)構(gòu)的激光器的斜率效率要明顯高于不含MMI增益區(qū)的窄脊型激光器,MMI + DFB型的激光器在注入電流為500 mA時(shí)的斜率效率為0.22 W/A,而窄脊型的DFB激光器在注入電流為500 mA時(shí)的斜率效率僅為0.14 W/A,這與理論計(jì)算和之前報(bào)道的MMI激光器的性能是相一致的,說明采用有源MMI作為增益區(qū),確實(shí)可以有效地增加激光器的增益區(qū)域面積,而更大的增益面積可以為激光器提供更充分的增益,所以有利于提高激光器的輸出功率.3種激光器在注入電流增加的過程中都出現(xiàn)P-I曲線扭結(jié)的現(xiàn)象,這種現(xiàn)象一般代表光學(xué)模式從基模向其他高階模式的跳變.
當(dāng)注入電流不斷增加達(dá)到1.89 A時(shí),不含DFB結(jié)構(gòu)MMI激光器的輸出功率出現(xiàn)了明顯的衰減,而含有DFB結(jié)構(gòu)的兩種激光器,在注入電流達(dá)到3 A之前都沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象,這有可能是因?yàn)樵诓粚す馄髦C振腔內(nèi)的光學(xué)模式進(jìn)行限制的情況下,MMI激光器內(nèi)光學(xué)模式會隨注入電流產(chǎn)生明顯變化,當(dāng)變化達(dá)到一定量值時(shí),光束將不再能夠在原始的自鏡像點(diǎn)位置附近進(jìn)行聚焦,也就不能夠被出射端的單模波導(dǎo)所捕獲.而對于含有DFB結(jié)構(gòu)的激光器,由于光柵對傳播的光學(xué)模式的限制作用,激光器的激射波長隨注入電流和溫度的變化較小,光束在MMI結(jié)構(gòu)中的自聚焦點(diǎn)位置變化不大,就不會出現(xiàn)以上的輸出功率迅速減小的現(xiàn)象.
其次,對幾種激光器的輸出光的光譜特性進(jìn)行了表征,在注入電流為400 mA連續(xù)光工作狀態(tài)下,用光譜儀對3種激光器的出射光的光譜進(jìn)行分析,3種結(jié)構(gòu)的激光器的光譜分析結(jié)構(gòu)如圖13所示.
圖13 FP腔的MMI激光器(a),窄脊型DFB激光器(b)和MMI + DFB激光器(c)的光譜圖Fig.13.Measured spectrum of MMI with FP cavity laser(a),Stripe DFB laser(b)and MMI plus DFB laser(c).
從3種激光器的光譜圖(圖13)可以看出,由于沒有光柵的限制,FP腔的MMI激光器在注入電流為400 mA時(shí)已經(jīng)不能工作在單縱模狀態(tài),(a)光譜圖中有兩個(gè)明顯激射峰,說明光譜中同時(shí)存在兩種激射的光學(xué)模式.而窄脊型DFB激光器和MMI型DFB激光器在注入電流為400 mA時(shí)都保持了良好的單模特性,窄脊型DFB激光器的發(fā)射中心波長在980.81 nm,波長中心線寬為13.1 pm,邊摸抑制比約等于34 dB; MMI + DFB結(jié)構(gòu)的激光器的發(fā)射中心波長在981.21 nm,波長中心線寬13.6 pm,邊模抑制比約為 32 dB.從圖13(b),(c)圖的結(jié)果可以看出兩種結(jié)構(gòu)在注入電流不大的情況下均能實(shí)現(xiàn)單模輸出,輸出光束的線寬和邊模抑制比也較為相近,這說明增加有源MMI區(qū)域?qū)υ鲆骜詈闲虳FB激光器的激射光譜性能影響不大,兩種激光器光譜的中心波長相差了400 pm,是一個(gè)相對較大的差異,造成這種差異物理機(jī)制仍然不是非常明確,可能是由于MMI區(qū)域中的平均光場強(qiáng)度低于窄脊區(qū)域,造成這個(gè)區(qū)域的工作溫度等狀態(tài)與窄脊型的半導(dǎo)體激光器不同從使兩種結(jié)構(gòu)中的有效折射率產(chǎn)生了差異而造成的.
最后對激光器的遠(yuǎn)場圖形進(jìn)行測試和表征,3種激光器的遠(yuǎn)場強(qiáng)度分布如圖14所示.
從遠(yuǎn)場分布情況(圖14)可以看出,不含DFB光柵的MMI激光器的快軸發(fā)散角為31.7°,窄脊型DFB激光器的快軸發(fā)散角為32.3°,MMI結(jié)合DFB的激光器的快軸發(fā)散角為32.4°,這是由于3種激光器采用了相同的外延層芯片結(jié)構(gòu),所以它們的快軸發(fā)散角都較為相近.而對于慢軸發(fā)散角,由之前的光譜圖(圖13)可知,連續(xù)工作電流在400 mA時(shí),不含DFB的MMI激光器已經(jīng)處于非基模工作狀態(tài),所以它的遠(yuǎn)場分布發(fā)散角較工作在單模狀態(tài)的其他兩種激光器要寬.而采用了DFB光柵結(jié)構(gòu)的兩種激光器的遠(yuǎn)程發(fā)散角則非常相近,說明DFB光柵對慢軸發(fā)散角起到了很好的限制作用.
圖14 FP腔的MMI激光器(a),窄脊型DFB激光器(b)和MMI + DFB激光器的遠(yuǎn)場分布(c)Fig.14.Measured far field intensity of MMI with FP cavity laser(a),stripe DFB laser(b)and(c)MMI plus DFB laser.
本文提出了一種結(jié)合了增益式耦合分布反饋光柵的有源多模干涉波導(dǎo)激光器,對器件的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)并對這種器件進(jìn)行了制備和表征.與傳統(tǒng)的窄脊型分布反饋半導(dǎo)體激光器和FP腔的多模干涉波導(dǎo)半導(dǎo)體激光器芯片性能的對比,提出的結(jié)構(gòu)結(jié)合了傳統(tǒng)兩種激光器結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢,在保留DFB激光器溫度和波長穩(wěn)定性的前提下,有效地提高了激光器的輸出功率和斜率轉(zhuǎn)換效率.同時(shí),這種器件的制備采用了無需二次外延,對光刻精度要求較低的工藝制作流程,在應(yīng)用和推廣方面具有極大的潛力.