姚中輝， 陳紅梅， 張子旸*

(1． 中國科學技術大學 納米技術與納米仿生學院， 安徽 合肥 230026；2． 中國科學院 蘇州納米技術與納米仿生研究所， 江蘇 蘇州 215123； 3． 青島翼晨鐳碩科技有限公司， 山東 青島 266000)

1 引 言

自上世紀六十年代半導體激光器和光纖問世以來，光纖通信的實現(xiàn)引發(fā)了信息傳輸?shù)母锩宰兓?，并取得了極其驚人的進展。特別是近年來，隨著云計算、物聯(lián)網(wǎng)、5G等新興信息技術的出現(xiàn)，人類社會對于信息流量的需求與日俱增，給光通信領域帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。半導體激光器作為光通信系統(tǒng)的核心部件，是目前光通信發(fā)展的重要研究領域之一[1-5]。低成本、低能耗、高速率的半導體激光器是下一代高速光通信系統(tǒng)的理想光源。Fabry-Pérot(F-P)激光器由于其結構簡單，可以大規(guī)模高效地制造，但是由于其多縱模運行導致的模式分配噪聲，極大地限制了在高速網(wǎng)絡中的應用[6-7]。分布反饋(Distributed feedback, DFB)激光器作為目前主流的單縱模激光器取得了巨大的成功，不僅擁有較高的邊模抑制比(Side-mode suppression ratio,SMSR)，而且可以實現(xiàn)很高的直接調(diào)制速率。但是，DFB激光器除了需要極高精度的制備流程和復雜的二次外延生長，還由于器件腔面隨機的反射相位，使得成品率往往很低。因此，采用更加簡單的制備工藝獲取單縱模運行的激光器成為了研究熱點。為此，研究人員提出了一種耦合腔的解決方案，其核心是在腔內(nèi)引入具有一定波長選擇性的濾波器，使多余的縱模被損耗掉實現(xiàn)單縱模運行[8-11]。WANG等在2012年采用深刻蝕的雙溝槽F-P(Slotted F-P,SFP)結構實現(xiàn)了SMSR 38 dB、線寬僅為～80 kHz的窄線寬單模F-P激光器[12]；Lu等在2011年采用37階刻蝕溝槽組成表面光柵結構成功實現(xiàn)了SMSR高于50 dB的單縱模激光器，并且通過與電吸收調(diào)制器集成實現(xiàn)了消光比超過10 dB、3 dB調(diào)制帶寬為3 GHz的集成器件[13]；此前，華中科技大學的Li等為了提高器件單縱模運行產(chǎn)率，采用具有一對傾斜溝槽結構的F-P激光器，有效地消除了由刻蝕槽引起的反射光，實現(xiàn)了高達35 dB的邊模抑制比，并且實現(xiàn)單模(SMSR>20 dB)的產(chǎn)率高達55%，經(jīng)過3 000 h的老化實驗證實其性能沒有明顯的退化，該單模激光器在直接調(diào)制速率為6.25 Gbps的速率下經(jīng)過50 km的標準單模光纖依然能夠看到清晰張開的眼圖[14]。為了滿足實際應用需求，需要對基于溝槽結構激光器的單模運行穩(wěn)定性做進一步的研究。

本工作采用多量子阱激光器外延結構，制備了具有不同溝槽寬度的脊波導F-P激光器，成功實現(xiàn)了SMSR高達40 dB的單縱模F-P腔激光器。并且在不同電流注入和不同溫度下分別對SFP器件進行了測試，相比于無斜槽結構的F-P激光器均有更穩(wěn)定的光譜輸出，進一步證實了斜槽的引入成功地實現(xiàn)了穩(wěn)定單縱模運行。該器件相對DFB激光器制備工藝易實現(xiàn)和較易控制，而且無需二次外延生長，在高速光通訊應用中展示了很大的潛力。

2 實 驗

SFP激光器是通過刻蝕技術在激光器波導結構上引入折射率微擾實現(xiàn)的，刻蝕槽的引入可以對FP腔的鏡面損耗進行調(diào)制，從而對腔內(nèi)某一個增益模式起到增強作用而對其他模式起抑制作用，最終實現(xiàn)單縱模運行。圖1(a)是SFP激光器結構示意圖，其中溝槽寬度、刻蝕深度、間距等是影響激光器性能的關鍵參數(shù)，需要在設計中進行優(yōu)化。對于SFP激光器，其諧振光波長滿足[10]：

(1)

其中d是溝槽間隔，λ為自由空間波長，neff代表波導有效折射率。通過優(yōu)化溝槽的間隔和刻蝕寬度可以控制器件的激射波長以及提升單模性能。為了實現(xiàn)高效率的單模特性，本工作對耦合腔模型的激射條件進行分析，在F-P腔內(nèi)傳播的平面波用下式表示：

(2)

其中gm=g-αi，g是增益系數(shù)，αi是內(nèi)部損耗系數(shù)，對于一個長度為L的F-P腔，其能夠形成自持振蕩的條件，可以用下式表示[15]：

(3)

R1、R2是諧振腔兩個腔面的反射率。由于本工作在F-P腔內(nèi)引入了刻蝕槽的微擾結構，因此耦合腔的激射條件，可以寫為[14]：

[r12ei(φ2-φ1)+r21e-i(φ2-φ1)]Re-i(φ2+φ1)+

(t12t21-r12r21)R2e-2i(φ2+φ1)=1，

(4)

基于上述的理論推導，我們制備了具有傾斜角度的溝槽，傾斜角度和間距分別為4°和10 μm[14]，溝槽寬度分別為1，1.5，2 μm的SFP激光器，如圖1(a)所示。多量子阱(Multiple quantum well,MQW)外延結構示意圖如圖1插圖所示，我們采用具有更高導帶帶階比的AlGaInAs/InP材料體系，但是由于有源區(qū)中含有Al元素，為了避免刻蝕過程中造成器件性能劣化，我們將溝槽的刻蝕深度限制在有源區(qū)上方，均停止于多量子阱有源區(qū)上方200 nm處。為了保證脊波導和刻蝕斜槽的精度，我們在光刻階段對脊波導和斜槽分別進行曝光，通過不斷地優(yōu)化曝光、顯影參數(shù)，最終得到了同時滿足脊波導和斜槽的工藝條件。之后采用ICP干法刻蝕同時完成刻蝕，極大地簡化了制備工藝。然后，采用等離子體增強化學氣相沉積方法沉積了350 nm的SiO2電絕緣層。再利用光刻和反應離子刻蝕技術在脊波導(3 μm)頂部制備1 μm的電注入窗口，隨后采用磁控濺射蒸鍍Ti/Au(50/350 nm)的正面電極。為了減小器件的熱效應，將襯底減薄并拋光至110 μm，再通過電子束蒸發(fā)沉積Ni/AuGe/Ni/Au(5/100/35/250 nm)的背面電極。為了使電極形成良好的歐姆接觸，又將該器件在N2氛圍下進行快速熱退火處理。最后把器件焊在蒸有In焊料的無氧銅上進行測試，所有測試均在室溫連續(xù)電流下進行。

圖1 SFP器件結構示意圖(a)和顯微鏡圖(b)(插圖：MQW外延結構示意圖)

3 分析與討論

斜槽刻蝕寬度分別為1，1.5，2 μm的光譜如圖2(a)所示，從圖中可以看出斜槽寬度為2 μm時出現(xiàn)了雙模激射，選模效果較差。造成這一現(xiàn)象的主要原因是當波導內(nèi)的光波傳導通過淺刻蝕溝槽時，溝槽導致光束能量被擠壓向下偏移，使得光波經(jīng)過溝槽后其光斑中心與波導中心不對稱，引入額外的損耗，如圖2(b)所示。而且由于寬度過大導致經(jīng)過溝槽的散射變大，降低了整個諧振腔光波的耦合性，無法為諧振腔提供足夠的反饋，因此影響器件選模特性，同時造成的過大損耗降低了器件的輸出特性[16]。當斜槽的寬度為1 μm時，可以看出明顯的單模激射，但是邊模抑制比很低。理論上，寬度越小時器件的耦合性越強，并且在諧振腔內(nèi)的光束經(jīng)過溝槽時，其能量未散射出器件外就會被重新回收到波導內(nèi)，更加有利于實現(xiàn)高輸出性能的單縱模激光器[17]。但是，由于器件工藝制備過程中，斜槽和波導是同時實現(xiàn)的，因而對光刻精度和干法刻蝕都有很高的要求，因此制備1 μm斜槽在工藝上存在較大的困難。在實際的制備中，斜槽在刻蝕過程中不平直，導致器件性能與理論有較大差距。當斜槽的寬度為1.5 μm時，可以看到器件具有優(yōu)異的單縱模輸出，這得益于器件結構的整體設計以及優(yōu)良的制備工藝，從圖1(b)中也可以看出寬度為1.5 μm的斜槽具有平直的形貌。

圖2 (a)SFP器件不同溝槽寬度的光譜；(b)光波在SFP腔內(nèi)傳播示意圖。

如圖3所示，我們對斜槽寬度為1.5 μm的器件進一步測試了不同電流注入下的輸出光譜，并且對比有無溝槽器件的功率-電流-電壓(Power-current-voltage,PIV)特性。由圖3(a)可以看出，無斜槽時器件的閾值電流為23 mA，斜率效率為0.23 mW/mA，斜槽的引入使器件的閾值電流增大至39 mA，同時器件輸出功率的斜率效率減小至0.19 mW/mA。斜槽的引入降低了器件的輸出特性，主要源于斜槽刻蝕寬度過大增加了腔內(nèi)光散射引入了額外損耗。而在文獻[14]中對比有無斜槽并沒有明顯改變器件的輸出特性，主要是由于斜槽寬度不同導致的。由于本工作刻蝕條件的限制只能制備出斜槽寬度為1.5 μm的器件，相對于1 μm的寬度而言，較寬的斜槽寬度導致光波在傳輸時被斜槽散射出波導外的光波不能有效地再被波導收集，造成了較大的損耗，因此引起了閾值電流增加以及斜率效率降低。但是，從圖3(b)中可以看出，對于斜槽寬度為1.5 μm的器件，在不同的電流注入下依舊能保持良好的單模特性，得益于該器件適中的斜槽參數(shù)和較容易的制備工藝。圖3(b)插圖為器件輸出光譜峰位以及SMSR在不同電流注入下的變化曲線，由于隨著注入電流的增加，器件產(chǎn)生的焦耳熱導致波導的有效折射率變化，因此隨著注入電流的增加光譜峰位以0.03 nm/mA的速率紅移。注入電流在50～90 mA范圍內(nèi)SMSR均大于30 dB，70 mA注入時實現(xiàn)了高達40 dB的SMSR。

圖3 (a)有斜槽和無斜槽激光器的PIV曲線；(b)斜槽寬度1.5 μm的SFP器件在不同電流注入下的光譜。

為了進一步驗證器件輸出光譜的溫度穩(wěn)定性，我們在25～70 ℃范圍內(nèi)對其輸出光譜進行了測試表征，如圖4所示，其中F-P激光器的注入電流均為50 mA，SFP激光器的注入電流均為70 mA。圖5為有無斜槽時激光器光譜峰位和溫度的關系，無斜槽結構時峰位的紅移速率約為0.6 nm/℃，與典型F-P激光器隨溫度紅移速率一致。主要原因是有源區(qū)帶隙隨溫度的變化規(guī)律所致

圖4 無斜槽激光器(a)和斜槽寬度為1.5 μm的SFP器件(b)在不同溫度下的光譜

圖5 有無斜槽時激光器發(fā)光波長與溫度的關系

(一般可用Varshni公式表示)，隨溫度升高，半導體的帶隙減小。當存在斜槽結構時，SFP激光器峰位的紅移速率僅為～0.12 nm/℃，主要是由于折射率隨溫度變化而改變引起的，如此小的峰位紅移速率進一步證實了斜槽的引入能夠有效地實現(xiàn)穩(wěn)定的單縱模輸出。

4 結 論

本工作通過在傳統(tǒng)脊波導F-P激光器上刻蝕傾斜溝槽結構，實現(xiàn)了穩(wěn)定的單縱模輸出。同時基于現(xiàn)有的工藝條件成功制備了斜槽寬度為1.5 μm、傾斜角度為4°的激光器器件，并且在腔長為350 μm、連續(xù)工作電流為70 mA下，成功地實現(xiàn)了高達40 dB的SMSR，另外發(fā)現(xiàn)器件在不同的注入電流下均保持穩(wěn)定的單模輸出。斜槽的引入也使F-P激光器的溫度穩(wěn)定性得到了顯著的提高，在25～70 ℃的范圍內(nèi)紅移速率僅為0.12 nm/℃。與DFB半導體激光器相比，較為簡單和較易控制的制備工藝、且無需復雜的二次外延即可實現(xiàn)穩(wěn)定的單縱模輸出，展示了斜槽F-P激光器在光通訊領域的巨大應用價值。

本文專家審稿意見及作者回復內(nèi)容的下載地址：http://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20210263.