王婷，吳冀亮，馬春光，黃勇濤，楊躍德，肖金龍，黃永箴

（1 中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

（2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)材料科學(xué)與光電工程中心，北京100049）

0 引言

雙波長(zhǎng)激光器廣泛應(yīng)用于干涉測(cè)量［1］、光通信［2-4］、微波及太赫茲輻射［5，6］、光頻梳［7，8］等諸多領(lǐng)域。以雙波長(zhǎng)激光器代替兩個(gè)獨(dú)立的激光器作為光源，用外差法產(chǎn)生微波和太赫茲信號(hào)，以及級(jí)聯(lián)四波混頻產(chǎn)生光頻梳，具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單穩(wěn)定、頻率高、光波傳輸過程無電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。人們已提出了多種實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)激光器的方案。光纖激光器可以輸出具有窄線寬的雙波長(zhǎng)激光［9-11］，但是所用光纖長(zhǎng)度較長(zhǎng)，存在系統(tǒng)復(fù)雜以及不穩(wěn)定的問題。半導(dǎo)體激光器可以通過直流驅(qū)動(dòng)直接輸出雙波長(zhǎng)激光，具有結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低和易于集成等優(yōu)勢(shì)。具有單腔雙區(qū)域結(jié)構(gòu)的分布布拉格反射（Distributed Bragg Reflector，DBR）或分布反饋（Distributed Feedback，DFB）激光器是一種最直接的實(shí)現(xiàn)雙模激射的方案。ROH S D 等［12］制備了包含了一段增益區(qū)和兩個(gè)分立的DBR 光柵的InGaAs-GaAs 激光器，實(shí)現(xiàn)了間隔從0.3 nm 到6.9 nm 的可調(diào)諧雙波長(zhǎng)激射。KIM N等［13］制備了雙區(qū)DFB 激光器，通過注入電流獨(dú)立調(diào)諧兩個(gè)模式，實(shí)現(xiàn)了0.17 THz 到0.49 THz 的連續(xù)可調(diào)拍頻信號(hào)。HUANG Jin 等［14］成功制備了Y 波導(dǎo)集成并聯(lián)的兩個(gè)DFB 激光器，可避免單腔雙區(qū)方案中雙模的相互影響，實(shí)現(xiàn)了間隔為0.218 nm 的雙波長(zhǎng)輸出。UEMUKAI M 等［15］則進(jìn)一步利用Y 波導(dǎo)集成的DBR 雙波長(zhǎng)激光器實(shí)現(xiàn)了1.0 nm 到3.7 nm 的間隔可調(diào)諧雙波長(zhǎng)輸出。此外，BROX O 等［16］提出并制作了雙波長(zhǎng)激射的三段式外腔放大反饋激光器，產(chǎn)生了12 GHz 到45 GHz 的拍頻信號(hào)。然而，雙波長(zhǎng)的DFB 或DBR 激光器通常需要通過復(fù)雜的電子束直寫技術(shù)對(duì)光柵進(jìn)行精確控制。

回音壁模式微腔激光器具有小模式體積、高品質(zhì)因子、制備工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在光子集成中具有很大的應(yīng)用潛力。LONG Heng 等［17］研制了頂點(diǎn)直連輸出波導(dǎo)的正方形微腔激光器，實(shí)現(xiàn)了間隔為0.56 nm 的雙波長(zhǎng)激射，相比于DBR 或者DFB 的雙模激光器，正方形微腔激光器的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，而且同一諧振腔中產(chǎn)生的雙模波長(zhǎng)間隔對(duì)環(huán)境波動(dòng)不敏感。隨后，LONG Heng 等［18］設(shè)計(jì)制作了具有方環(huán)形電流注入窗口的可調(diào)雙模微腔激光器，雙模波長(zhǎng)間隔隨注入電流增加從0.25 nm 增加至0.39 nm。然而如果實(shí)現(xiàn)更小的雙模間隔，需要更大的正方形諧振腔，容易造成多橫模激射。為實(shí)現(xiàn)更小間隔的雙模激射，本文設(shè)計(jì)并制備了一種中心及四個(gè)角區(qū)電流注入的正方形微腔激光器，實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)間隔隨著注入電流的增加而減小的雙模激射。當(dāng)電流由42 mA 增加到53 mA 時(shí)，波長(zhǎng)間隔從0.18 nm 調(diào)諧到0.1 nm，并且強(qiáng)度比小于4 dB。除此之外，隨著電流的進(jìn)一步增加，雙模在諧振腔內(nèi)的相互作用由于間隔的進(jìn)一步減小而愈加明顯，出現(xiàn)了明顯的單周期振蕩現(xiàn)象，為研究激光器腔內(nèi)的非線性現(xiàn)象提供了可能。

1 器件仿真及工藝制備

1.1 器件結(jié)構(gòu)與仿真

為了實(shí)現(xiàn)間隔可調(diào)的雙波長(zhǎng)激射，設(shè)計(jì)了具有圖形化注入窗口的非均勻注入正方形微腔激光器。圖1給出了中心及四個(gè)角區(qū)電流注入窗口的正方形諧振腔的結(jié)構(gòu)示意圖。其中a為正方形邊長(zhǎng)，wg為輸出波導(dǎo)的寬度，W為位于正方形邊中點(diǎn)的方環(huán)形區(qū)域的寬度。腔體側(cè)向?yàn)榈瑁⊿iNx）-苯并環(huán)丁烯（BCB）限制，SiNx厚度為200 nm，保證正方形微腔和BCB 之間具有良好的粘附性。

圖1 中心及四個(gè)角區(qū)電流注入窗口的正方形諧振腔的結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic of the a microsquare resonator with a current injection window in the center and four corners

利用這種方案實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧雙波長(zhǎng)激射的原理是，在注入窗口區(qū)域的注入電流密度較大，導(dǎo)致該區(qū)域載流子密度較大，溫度較高，形成了非均勻分布的載流子濃度分布和溫度分布。進(jìn)一步地，由于半導(dǎo)體材料的折射率隨載流子濃度和溫度而變化，因此會(huì)形成非均勻的折射率分布。

接下來，采用二維有限元方法（FEM，COMSOL Multiphysics）模擬仿真邊長(zhǎng)a=30 μm，波導(dǎo)寬度wg=3 μm 的正方形微腔內(nèi)的模場(chǎng)情況，InP、SiNx和BCB 的折射率分別設(shè)置為3.2、2.0 和1.54。仿真過程中將波導(dǎo)嵌入到完美匹配層中，以消除波導(dǎo)端面的背反射。假設(shè)注入窗口區(qū)域相對(duì)于其他區(qū)域的折射率相差Δn，其中Δn=0 對(duì)應(yīng)著均勻注入電流的情況。

首先，計(jì)算了正方形微腔激光器在均勻注入情況下的TE 模，對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)的主分量Hz 的場(chǎng)分布如圖2（a）和2（b）?？梢钥闯鲅叵噜忂呏悬c(diǎn)的連線，基模和一階模分別顯示強(qiáng)場(chǎng)和弱場(chǎng)分布。由于模場(chǎng)分布不完全重合，基模和一階模存在較小的模式競(jìng)爭(zhēng)，其品質(zhì)因子分別為6.994×104和1.838×104?？紤]到實(shí)際器件中縱向輻射、材料吸收及制作工藝等損耗，這兩種模式有相近的品質(zhì)因子來實(shí)現(xiàn)雙橫模激射。此外，在均勻注入情況下，基模和一階模分別位于1 548.338 nm 和1 548.047 nm，波長(zhǎng)間隔為0.291 nm。

圖2 a = 30 μm，wg= 3 μm 的正方形微腔中的磁場(chǎng)（|Hz|）分布Fig.2 Simulated magnetic field（|Hz|）distributions in the square microcavity with a = 30 μm and wg= 3 μm

然后計(jì)算了正方形微腔激光器在非均勻注入情況下，注入與非注入?yún)^(qū)域的折射率分布差對(duì)雙模間距的影響。對(duì)于邊長(zhǎng)a=30 μm、波導(dǎo)寬度wg=3 μm、方環(huán)形寬度W=6 μm 的正方形微腔，模式波長(zhǎng)間隔λ與n的關(guān)系如圖3 中的方形符號(hào)曲線所示。當(dāng)n從-0.005 增加到0.003，模式波長(zhǎng)間隔從1.07 nm 減小到0.11 nm。對(duì)于邊長(zhǎng)a=20 μm、波導(dǎo)寬度wg=2 μm、方環(huán)形寬度W=1 μm 的正方形微腔，圖3 的圓形符號(hào)曲線描述了其雙模間隔λ與n的關(guān)系。隨著Δn從-0.005 增加到0.005，雙模間隔從1.1 nm 減小到0.5 nm。仿真計(jì)算結(jié)果表明，非均勻注入導(dǎo)致的非均勻折射率分布可以改變兩個(gè)橫模波長(zhǎng)間隔。此外，通過改變正方形微腔的邊長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)間隔的改變。例如對(duì)于均勻注入的邊長(zhǎng)20 μm 和30 μm 的正方形微腔激光器，雙橫模間隔分別為0.76 nm 和0.31 nm。

圖3 模擬正方形諧振腔的基模、一階模的波長(zhǎng)間隔隨折射率分布差的變化關(guān)系Fig.3 Simulated wavelength intervals of the fundamental mode and the first-order mode versus Δn for the microsquare resonators

1.2 正方形微腔激光器的制備工藝

使用AlGaInAs/InP 外延片制備非均勻電流注入的正方形微腔激光器，其中有源層為5 個(gè)壓應(yīng)變量子勢(shì)阱及6 個(gè)勢(shì)壘層交疊構(gòu)成的多量子阱結(jié)構(gòu)。首先通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD）技術(shù)在外延片上沉積600 nm 的SiO2層，并利用光刻和感應(yīng)耦合等離子體（Inductively Coupled-Plasma，ICP）蝕刻技術(shù)，將腔體圖形由光刻膠轉(zhuǎn)移到SiO2層上，然后以圖形化的SiO2作為掩模ICP 刻蝕InP 外延片，得到刻蝕深度為4.7 μm 的正方形微腔，再使用HF 溶液去除剩余的SiO2掩膜。在刻蝕好的微腔的芯片上，采用PECVD 技術(shù)生長(zhǎng)厚度為230 nm 的SiNx，隨后旋涂BCB 形成平坦表面，并采用反應(yīng)離子蝕刻（Reactive Ion Etching，RIE）技術(shù)刻蝕BCB，暴露出腔體頂部。接著在芯片上沉積400 nm 的SiO2作為電絕緣層，然后進(jìn)行非均勻注入窗口的套刻，利用光刻和ICP 蝕刻技術(shù)去除正方形微腔的中心區(qū)域和四個(gè)角區(qū)上方的SiO2和SiNx層，露出InP 保護(hù)層，然后利用鹽酸溶液濕法腐蝕InP 保護(hù)層，露出歐姆接觸層從而實(shí)現(xiàn)金半接觸。最后，通過電子束蒸發(fā)和帶膠剝離形成圖形化的Ti-Pt-Au 的P 型電極，再對(duì)結(jié)構(gòu)片進(jìn)行減薄到120 μm，拋光，隨后在N 面上磁控濺射Au-Ge-Ni，并合金形成N 型電極。制作完成的器件顯微鏡照片如圖4。

圖4 制備的中心及四個(gè)角區(qū)電流注入窗口的微腔激光器的顯微鏡圖Fig.4 Microscopic image of a square microcavity laser with a current injection window in the center and four corners

2 間距可調(diào)的雙模激光器的激射特性

對(duì)制備完成的正方形微腔激光器進(jìn)行性能表征，該正方形微腔邊長(zhǎng)30 μm，輸出波導(dǎo)寬度為3 μm，非注入窗口的方環(huán)形部分寬度為6 μm。通過半導(dǎo)體制冷器將激光器的熱沉溫度保持在288 K。采用多模光纖耦合測(cè)量正方形微腔激光器的輸出光功率以及外加電壓與注入電流的關(guān)系，如圖5（a）。激光器的串聯(lián)電阻為11.4 Ω，閾值電流約為9 mA。當(dāng)注入電流為77 mA 時(shí)，該激光器輸出光功率達(dá)到最大，為1.04 mW。此外，圖5（b）給出了激光器在不同注入電流下的激射光譜。在注入電流為15 mA 時(shí)激光器開始雙模激射。隨著注入電流的增加，激光器在33 mA、44 mA 和70 mA 時(shí)發(fā)生了跳模，對(duì)應(yīng)著L-I曲線中的功率突變。

圖5 正方形微腔激光器的激射特性Fig.5 Lasing characteristics of the square microcavity laser

接下來利用分辨率為0.02 nm 的光譜儀測(cè)量正方形微腔激光器的激射光譜。圖6（a）給出了注入電流從39 mA 到66 mA 的光譜圖。可以看到在該電流調(diào)諧范圍內(nèi)，激光器實(shí)現(xiàn)了雙模激射。并且，雙模間隔隨著注入電流的增加而逐漸減小，與理論分析一致。由于InP 基材料激光器的激射波長(zhǎng)隨溫度的變化速率為0.1 nm/K，當(dāng)注入電流為50 mA 時(shí)，可以估計(jì)注入窗口和非注入窗口的溫度差為2.5 K。圖6（b）給出了兩個(gè)激射模式的波長(zhǎng)間隔和強(qiáng)度比隨注入電流的變化情況。當(dāng)注入電流從42 mA 增加到50 mA 時(shí)，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度比小于4 dB 的雙橫模激光。此時(shí)該激光器的波長(zhǎng)間隔從0.18 nm 減小到0.1 nm，對(duì)應(yīng)22.5 GHz 到12.5 GHz 的頻率差。與圖3 中的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，隨著電流的增加，該激光器的雙模間隔對(duì)應(yīng)的折射率分布差Δn從1×10-3增加至3×10-3，表明該正方形微腔激光器的折射率主要受溫度分布的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果，圖6（c）給出了折射率分布差與電流的關(guān)系，可以看到二者近似呈二次關(guān)系。除此之外，當(dāng)注入電流范圍為39 mA 到43 mA 時(shí)，雙模間隔的調(diào)諧速度約為2 pm/mA。當(dāng)注入電流范圍為44 mA 到50 mA時(shí)，雙模間隔的調(diào)諧速度約為9 pm/mA。因此調(diào)諧速度隨著電流的增加而增加，這可能是由于注入窗口區(qū)域的溫度與非注入?yún)^(qū)域的溫度差增大。

圖6 波長(zhǎng)間隔和折射率分布差隨注入電流的變化Fig.6 Variation of wavelength interval and refractive index step with injection current

為了對(duì)比，同時(shí)也制備了采用方環(huán)形區(qū)域?yàn)殡娮⑷氪翱诘恼叫挝⑶患す馄?。正方形腔體邊長(zhǎng)為26 μm，輸出波導(dǎo)寬度為2.5 μm，方環(huán)形寬度為6 μm。該雙模激光器的激射光譜圖如圖7（a），此時(shí)注入電流從59 mA 增加到93 mA，雙模間隔隨著注入電流的增加而逐漸增大。如圖7（b），當(dāng)注入電流從62 mA 增加到85 mA 時(shí)，雙模間隔可由0.202 nm 調(diào)諧至0.284 nm。這進(jìn)一步驗(yàn)證了折射率主要受溫度分布影響的結(jié)論。但是該器件基模和一階模的強(qiáng)度差較大，皆在8 dB 以上。

圖7 方環(huán)形電流注入窗口的正方形微腔激光器的波長(zhǎng)間隔隨注入電流的調(diào)諧情況Fig.7 Wavelength interval versus the injection current for the square microlaser with a square-ring current injection window

為了進(jìn)一步探究中心及四個(gè)角區(qū)電流注入窗口的微腔激光器的雙波長(zhǎng)激射特性，圖8（a）給出了注入電流為41、45、49 和53 mA 時(shí)精細(xì)光譜圖，其中45、49 和53 mA 的光譜分別向上平移了50、100 和150 dB。注入電流為45 mA 時(shí)，可以看到兩個(gè)激射模式波長(zhǎng)分別位于1 558.99 nm 和1 559.15 nm。并且，可以注意到在其兩側(cè)存在等間距分布的，位于1 558.83 nm 和1 559.31 nm 的兩個(gè)邊帶，且其譜寬遠(yuǎn)小于高階模譜寬，據(jù)此可以判斷這兩個(gè)峰是由兩個(gè)激射模式之間的四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生，進(jìn)一步說明了兩個(gè)模式的共存。波長(zhǎng)位于1 558.45 nm 和1 557.91 nm 處的兩個(gè)寬峰，對(duì)應(yīng)正方形微腔的二階和三階橫模。

圖8（b）給出了注入電流為61 、62 、64 和65 mA 時(shí)的精細(xì)光譜圖。當(dāng)注入電流增加到61 mA 時(shí)，正方形微腔激光器的雙模間隔減小到0.08 nm。此時(shí)激光器具有明顯的非線性效應(yīng)，處于單周期狀態(tài)，產(chǎn)生出多級(jí)的頻率邊帶，邊帶間隔為雙模間隔。當(dāng)注入電流進(jìn)一步增加到65 mA 時(shí)，單周期消失。由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，中心及四個(gè)角區(qū)電流注入的正方形激光器不僅可以應(yīng)用于高頻微波信號(hào)的產(chǎn)生，同時(shí)也為研究激光器腔內(nèi)的非線性現(xiàn)象提供了可能。

圖8 中心及四個(gè)角區(qū)電流注入窗口的微腔激光器的精細(xì)光譜圖Fig.8 Fine spectra of a microcavity laser with a current injection window in the center and four corners

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了具有中心及四個(gè)角區(qū)非均勻電注入窗口的正方形微腔激光器以實(shí)現(xiàn)間隔可調(diào)諧的雙模激射。首先利用有限元法模擬分析了非均勻注入窗口的折射率分布對(duì)雙波長(zhǎng)間隔的影響。并且成功制備了邊長(zhǎng)為30 μm 的雙波長(zhǎng)正方形微腔激光器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)注入電流由42 mA 增加到53 mA 時(shí)，波長(zhǎng)間隔從0.18 nm 減小到0.1 nm。當(dāng)進(jìn)一步增加電流時(shí)，由于雙模間隔進(jìn)一步減小，出現(xiàn)了明顯的單周期振蕩現(xiàn)象。本文所提出的具有中心及四個(gè)角區(qū)的電流注入窗口的正方形微腔激光器為后續(xù)產(chǎn)生光生微波、光頻梳等研究提供了間隔可調(diào)的光源。