1.3μm波段單橫模大功率輸出量子點激光器

宗 磊，王 英

1.3μm波段單橫模大功率輸出量子點激光器

宗 磊，王 英

（上饒師范學院小教分院，上饒334000）

為了制備大功率、單橫模輸出的量子點激光器，對有源多模干涉波導結構進行了研究。通過優化器件結構設計，采用1×1型有源多模干涉波導結構，以均勻多層InAs／InGaAs／GaAs量子點材料作為有源區，制備了1.3μm波段的有源多模干涉結構量子點激光器。連續電流注入條件下的測試結果表明，與傳統的均勻波導結構器件相比，有源多模干涉結構器件具有更低的串聯電阻和更好的散熱性能；在連續電流為0.5A的小注入情況下，器件的輸出功率可達114mW、中心波長為1332nm。結果表明，有源多模干涉結構器件是制備大功率、單橫模輸出光發射器件的一種有效的器件結構。

激光器；量子點；單橫模；有源多模干涉

引 言

1.3 μm波段是國際電信聯盟規定的光纖通信領域最主要的波段之一，被用于城際網和接入網的信息傳輸。砷化鎵基量子點材料在制備1.3μm波段的高穩定性、非制冷、低成本光發射器件，尤其是量子點激光器方面具有巨大潛力，是目前國際上公認的光纖通信領域最有發展前途的光電材料之一［1-2］。實際應用中，為了使光源與單模光纖（纖芯直徑為微米量級）有高的耦合效率，器件必須為單橫模輸出，所以需要對器件的波導寬度進行嚴格的控制［3］。例如對于砷化鎵體系量子點材料外延結構，器件實現單橫模輸出須保證波導寬度小于5μm。但是對于常見的均勻波導結構器件，較窄的波導寬度也就表示減小了器件的增益面積，所以器件很難實現大的輸出功率。加寬波導寬度、增大器件的增益面積，可以有效提高器件的輸出功率，但是器件將無法實現單橫模輸出，直接導致與單模光纖的耦合效率降低。為克服這一限制，有研究證實采用有源多模干涉（multimode interferometer，MMI）波導結構可以實現大功率的單橫模輸出器件［4-5］。

MMI波導結構器件由1個多模波導和若干個分別用于輸入、輸出的單模波導構成。根據輸入、輸出波導的數量（分別用M，N表示）不同，可將MMI器件表示成M×N型。其中1×1型有源MMI結構在制備大功率、單橫模輸出的光發射器件時經常使用。1998年，HAMAMOTO等人［4］采用1×1型有源MMI結構制備了單橫模輸出的InGaAs／InP激光器，其最大輸出功率比傳統的單橫模器件提高了40%。此后有關有源MMI結構光發射器件的進一步研究相繼開展。2000年，HAMAMOTO等人［6］制備出了首個MMI結構的半導體光放大器件，與傳統結構器件相比，該器件的最大增益提高了2dB，飽和輸出功率提高了5dB。2004年，OHYA等人［5］制備的單橫模輸出的MMI結構激光器在小于2V的驅動電壓下，輸出功率大于1W。以上研究結果證實1×1型有源MMI結構是制備大功率、單橫模輸出的光發射器件的一種有效的器件結構。

Fig.1 Schematics of multi mode waveguide configuration

本文中對有源MMI波導結構器件進行了研究，以制備大功率、單橫模輸出的量子點激光器。通過優化器件結構和制備工藝，采用均勻多層InAs／InGaAs／GaAs量子點材料作為有源區，成功制備了1.3μm波段的有源MMI結構量子點激光器。連續電流注入條件下的測試結果表明，與傳統的均勻波導結構器件相比，MMI結構器件具有更低的串聯電阻和更好的散熱性能，有利于緩解器件在連續電流注入下的輸出功率飽和。在連續電流為0.5A的小注入情況下，器件的輸出功率可達0.75W、中心波長為1332nm。本文中對MMI結構器件的系統研究可以為制備大功率、單橫模輸出的光發射器件提供參考。

1 多模干涉波導的自鏡像原理

MMI器件的基本工作原理是基于自鏡像效應，可以簡單地描述為：輸入光場在多模波導中激勵起多個模式，在各模式之間發生互相干涉，由此沿光波的傳播方向周期性地產生輸入光場的一個或多個像［7-8］。早在1972年，MARCUSE［9］就發現漸變折射率波導可以周期性地產生物體的實像。1973年，BRYNGDAHL［10］提出均勻折射率平板波導中也存在自鏡像效應，隨后ULRICH等人［11-12］對這一原理作了進一步闡述。

MMI結構的關鍵部分是一段能夠傳輸多個模式（一般大于3個）的多模波導。分析光在多模波導中傳播時，利用有效折射率法可以將3維波導簡化為2維波導［13-15］。在圖1所示的多模波導中，波導的寬度為W，波導區的有效折射率為nr，兩側限制層的有效折射率為nc，波導區的光場分布E（x，z）可以通過本征模的線性疊加表示為：

式中，x表示橫向；z表示傳播方向；βi分別表示第i階本征模的傳播常數，i取0到m－1之間的整數，m是多模波導支持的模數；ψi為第i階本征模的光場分布；Ci是場的激勵系數。

橫向波數kxi、傳播常數βi和波導的有效折射率nr滿足下面的色散關系：式中，λ0為真空中的光波長，k0為λ0對應的波數。

根據本征模的形成條件，光模場的分量在波導內須形成駐波，其來回傳播1周的相位差應為2π的整數倍。考慮在波導邊界處由于全反射造成的相位差π，得到：

式中，We，i為考慮了波導邊界處Goos-Hahnchen位移后的等效波導寬度。不同導模由Goos-Hahnchen位移引起的橫向穿透深度展寬不同，因此We，i不同。一般可以用基模的等效寬度近似各導模的等效寬度。多模波導的等效寬度We，i可以表示為：

對于TE和TM偏振，σ分別取0和1。由此，

由上式可以看出，傳播常數βi與各階導模的階數i的2次方成正比，與波導的等效寬度We的2次方成反比。

定義Lπ為兩個最低階模i＝0，1的拍長，則：

略去光場分布E（x，z）式中的時間因子exp（jωt），不會對多模波導的成像規律產生影響。以基模的相作為求和的共同因子，則光場分布可以表示為：

由此傳播常數差便可以表示成：

由上式可以看出，光在多模波導內傳播時，沿傳播方向z會以3Lπ為周期循環產生輸入場的像，此即多模干涉波導的自鏡像原理。

也就是說，若L＝p（3Lπ），p＝0，1，2，…，則在z+L處會形成z處的像。當p為偶數時，光場為輸入光場的正像；當p為奇數時，光場為輸入場的反演像。除了在L等于3Lπ的整數倍處可以得到輸入場的單個像外，在L＝（3L），p≥0，N≥1，兩者互π質，還可以得到輸入場的N重像。

由此多模波導中傳播的光場，成像數目由N決定，p則表示成像位置沿傳播方向z可能的周期分布，為了使設計的器件盡量短，通常取p＝1。另外，實際設計MMI器件時，通過限定輸入光場的位置及分布，可以使輸入光場在多模波導內發生限制性干涉而只激勵起一部分導模，進而模相位因子長度周期減少，由此可以減小器件的設計尺寸，更有利于滿足實際應用的需要。例如輸出場的位置限定在x＝0即多模波導的橫向中心時，輸入的偶對稱光場在多模波導內發生對稱干涉，激發的模式滿足［i（i+ 2）］始終能被4整除，即只激發i為偶數的模式，而對于i為奇數的模式，激勵系數Ci＝0。此時，光場分布函數E（x，z）中模相位因子長度周期減小為一般干涉的1／4。由此輸入光場的單像和多像的位置分別為：

2 1×1型多模干涉器件設計

1×1型MMI波導結構是制備大功率、單橫模有源器件常用的結構［7-10］，本文中該結構被用來制備大功率、單橫模輸出的量子點激光器。

根據多模波導的自鏡像原理，設計1×1型MMI

在設計和制備MMI波導結構器件時，幾何尺寸保留一個較為寬松的設計容差是非常重要的，這不僅影響器件制備時對器件結構參量的控制，而且直接影響到器件的性能。參考文獻［13］中對多模干涉器件的設計容差進行了研究，將輸入場的像看作是高斯光束在成像位置L處聚焦，由于位置L的變化ΔL而產生的光損耗可以通過評估光束與輸出波導模場的交疊程度進行評估。分析發現，光損耗為0.5dB時，ΔL近似等于所謂瑞利長度范圍，即：波導結構器件時，p和N均取為1，多模波導的最小長度為：

式中，w0為高斯光束的束腰，等于輸入光場振幅的處全寬。設輸入光場波長為λ，Δλ表示光波長的變化范圍，將光損耗為0.5dB時ΔL，ΔWe，Δnr分別定義為MMI波導的長度容差、寬度容差、折射率容差，則有以下關系：

由上式可以看出，盡量減小多模波導的長度可以為MMI波導的其它參量提供更大的設計容差。另外，對于給定的多模波導設計和固定輸入光波長，增加輸入波導的寬度可以增大多模波導的設計容差。設計錐形結構的輸入波導也是一種增大MMI器件的設計容差的有效方法［16］。

3 器件制備與性能測試

采用分子束外延技術（molecular beam epitaxy，MBE）生長的均勻多層InAs／InGaAs／GaAs量子點外延結構作為器件有源區，制備1.3μm波段的量子點激光器。器件采用1×1型MMI波導結構，其中多模波導的寬度為10μm，輸入、輸出端為5μm寬的窄波導，器件總腔長為2mm。為進行對比分析，采用相同的材料結構同時制備了波導寬度為5μm的均勻波導結構激光器，器件腔長同樣選取為2mm。器件制備完成后，為了有利于散熱，倒裝焊在無氧銅熱沉上，然后在室溫下對器件進行功率-電流（P-I）特性、電致發光（electroluminescence，EL）光譜等性能測試。

圖2為兩種不同波導結構激光器在連續電流注入下的P-I特性曲線對比。從圖中可以發現，注入電流在0mA～200mA時，有源MMI波導結構器件LD2的輸出功率要小于均勻波導結構器件LD1，這是因為相同的注入電流下，均勻波導結構器件LD1的注入電流密度要高于MMI結構器件LD2；而注入電流繼續增大（200mA～500mA）時，器件LD1的輸出功率開始出現飽和現象，器件LD2的輸出功率逐漸超過器件LD1。這是由于大的連續注入電流密度下器件LD1的有源區出現明顯的自熱效應引起的。而從器件LD2的P-I曲線并沒有觀察到輸出功率的飽和現象，0.5A連續電流注入下，器件的輸出功率為114mW。由此可以看出，有源MMI結構器件LD2與均勻波導結構器件LD1相比具有更好的散熱性能。這應該歸功于以下兩個方面的原因：首先，MMI結構器件增大了器件有源區的面積，同時增大了器件有源區到熱沉的熱流通道，減小了器件的熱阻；另外，MMI結構器件具有更低的器件串聯電阻，降低了器件的產熱。

Fig.2 P-I characteristics of the devices LD1and LD2under continuous wave operation

圖3 為有源MMI波導結構器件LD2在不同連續電流注入下的EL光譜。從圖中可以看出，在10mA～500mA的測試電流下，器件發光的中心波長始終位于1.33μm附近。注入電流為10mA時，激光器工作在閾值電流以下，發光的中心波長位于1330nm，光譜寬度69nm，對應InAs／InGaAs／GaAs量子點的基態發光。隨著注入電流增大到75mA，激光器發生激射，激射波長位于1332nm。繼續增大電流至0.5A，激光器的激射波長依然位于1332nm，此時器件的輸出功率為114mW。

Fig.3 EL spectra of the active MMI device LD2at different injection currents under continuous wave operation

4 結 論

為制備大功率、單橫模輸出的量子點激光器，對有源MMI波導結構器件進行了研究，詳細分析了MMI波導結構的工作原理、結構設計及工藝容差。通過優化器件結構參量，采用1×1型有源MMI波導結構，成功制備了1.3μm波段的InAs／GaAs量子點激光器。在連續電流為0.5A的小注入情況下，器件的輸出功率可達114mW、中心波長為1332nm。測試結果表明，與傳統的均勻波導結構器件相比，MMI結構器件具有更低的串聯電阻和更好的散熱性能，是制備大功率、單橫模輸出的光發射器件的一種有效的器件結構。

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High output power single transverse mode quantum dot lasers at 1.3μm

ZONG Lei，WANG Ying
（Primary Education College Affiliated，Shangrao Normal University，Shangrao 334000，China）

An active multi-mode-interferometer（MMI）waveguide configuration was introduced and designed for single transverse mode laser diode with high output power.By using InAs／InGaAs／GaAs quantum dots（QD）as the active region，1.3μm QD laser diode with the1×1 MMI waveguide configuration was fabricated.It was demonstrated that the QD laser diode with the active MMI configuration exhibited improved heat dissipation and optical performance compared to the device with regular uniform waveguide structure.At a continuous wave injection current of 0.5A，a high output power of 114mW was obtained from the narrow waveguide while the laser diode emitting at1332nm.The systematic study shows that the device with MMI waveguide configuration is instructive device for the fabrication of single transverse mode light emitting devices with high output power.

lasers；quantum dot；single transverse mode；active multimode interferometer

TN248；O472+.3

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.01.002

1001-3806（2014）01-0006-05

宗 磊（1979-），男，碩士，講師，主要研究方向為納米功能材料與器件。

E-mail：phylxk＠163.com

2013-03-25；

2013-04-07