布拉格反射波導雙光束邊發射半導體激光器

蘇道軍，計偉，崔碧峰，3，邱偉彬，佟存柱，張松，王曉玲，凌小涵，王加賢

（1.華僑大學 信息科學與工程學院，福建 廈門361021；2.北京工業大學 電子信息與控制工程學院，北京100124；3.牡丹電子集團有限公司，北京100191；4.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春130000）

近年來，布拉格反射波導結構的半導體激光器廣泛應用于各種各樣的器件中，包括高速打印機、高靈敏度的激光吸收光譜儀、先進的激光測速儀以及溝深監控系統等［1－6］.這種半導體激光器具有較高的增益系數、較強的模式識別以及較大的模式面積等優點［7－9］.產生雙光斑輸出通常有兩種方法：一是利用光纖陣列或光束耦合器耦合2個單個激光器發出的光束［10］；二是利用光柵、極化棱鏡、非退化的光學寄生振蕩器將單個光束分散成2個光束［11］.但是，這些方法由于復雜的光學對準和體積的限制，應用較少.除此之外，雙脊激光二極管也可以替代雙光斑激光光源在橫向上產生2個輸出光斑.但是，這種激光器在工作時雙脊之間相互影響產生的熱效應使得激光器的輸出性能嚴重不穩定［12］.實現雙光斑輸出最理想的方法是從器件的結構出發.近年來，為了得到單個穩定的具有較大光學模式尺寸的激光光束，人們提出了單個布拉格反射波導和2個布拉格反射波導的邊發射半導體激光器［13－15］，這類激光器可以在垂直方向上分別實現極窄的單個光斑和非常發散的多個光斑.本文通過設計多量子阱有源區兩側的布拉格反射波導結構實現2個極窄的雙光斑輸出.

1 器件結構設計

布拉格反射波導邊發射半導體激光器結構，如圖1所示.量子阱有源區的兩側具有非1／4波長布拉格反射波導結構（BRW），每一側都是由6對厚度分別為100nm／750nm的Al0.1Ga0.9As／Al0.3Ga0.7As分布式布拉格反射鏡組成.量子阱有源區的材料為2個In0.2Ga0.8As／GaAs量子阱組成，布拉格反射波導的界面有20nm的組分漸變層，P＋的重摻雜歐姆接觸層到有源區厚度為5.3μm，整個外延層的厚度為12.7μm.此外，在量子阱有源區和上下布拉格反射波導之間有一層750nm的Al0.3Ga0.7As層.文中所設計的器件各層結構的折射率分布，如圖2所示.

圖1 布拉格反射波導邊發射半導體激光器Fig.1 Edge－emitting semiconductor laser with Bragg reflection waveguide

圖2 布拉格反射波導邊發射半導體激光器折射率Fig.2 Refractive index of edge－emitting semiconductor laser with Bragg reflection waveguide

邊發射半導體激光器的遠場發散形式是由近場的電磁場分布的傅里葉變化決定的.由于近場的電磁場分布具有周期性的最大值和最小值的變化，所以這種電磁場分布可以用正弦函數或者余弦函數來近似表示［12］.對于文中所設計的器件結構，在端面附近的垂直電場分布可近似表示為余弦函數與高斯函數的乘積，即

標準的瑞利－索末菲（Rayleigh－Sommerfeld）衍射積分［12］為

由式（2）可得到遠場光束強度，即

式（3）中：θ為遠場發散角.由式（3）可知：布拉格反射波導邊發射激光器的遠場光束在θ＝±arcsin［λ／（2Λ）］處存在2個高斯形狀的光斑，可通過改變布拉格反射波導的周期厚度來控制；對于文中所設計的器件結構，Λ＝0.89μm，帶入可計算出在Λ＝±33.4°處出現2個高斯光斑.

由以上分析可知：布拉格反射波導結構的周期厚度決定了垂直方向上的2個高斯光斑之間的角度，而垂直方向上單個高斯光斑的遠場發散角主要是由光學波導厚度來決定的.因此，可以通過設計布拉格反射波導結構來精確控制布拉格反射波導邊發射激光器的垂直光場分布.

2 器件制備與測試

2.1 器件的制備

采用金屬有機物化學氣相沉積法（MOCVD），在（100）方向的n＋－GaAs襯底依次外延緩沖層、n－DBR、多量子阱有源區、p－DBR和p＋重摻雜的歐姆接觸層形成布拉格反射波導邊發射激光器的外延結構.外延生長完成后，利用標準的光刻工藝和濕法腐蝕工藝形成條寬為100μm的脊型波導結構，濕法腐蝕的深度約為280nm.然后，采用等離子體增強化學氣相沉積法（PECVD）淀積200nm的SiO2作為電絕緣層；利用標準光刻工藝制作電極窗口，濺射正面電極Ti／Au，厚度為50nm／300nm；經過背面減薄，濺射50nm／300nm的背面電極AuGeNi／Au后，在430℃條件下快速合金35s.最后，濺射100nm的金層.為了測試鍍膜對器件性能的影響，將制備好的器件分為兩部分：一部分以自然解理面作為諧振腔的腔面；另一部分則在器件的反射面和出光面分別鍍上90%的高反膜和1.3%的增透膜，解離成單個器件后分別進行測試.

2.2 擬合內量子效率和內損耗

F－P腔的邊發射半導體激光器的外微分量子效率和內量子效率及內損耗的關系［16］為

式（4）中：ηd為外微分量子效率；ηi為內量子效率；αi為內損耗；L為諧振腔腔長；R1，R2分別為腔面的反射率.對式（4）兩邊取倒數后可得

圖3 內量子效率和內損耗擬合曲線Fig.3 Fit curre of internal quantum efficiencyal and internal loss

由式（5）可知：腔長與外微分量子效率的倒數呈線性關系.因此，可通過測試不同的腔長對應的外微分量子效率，利用Origin軟件經過線性擬合算出內量子效率和內損耗.實驗分別進行了800，1 200，1 500μm等3種腔長的器件測試，其結果如圖3所示.由擬合結果可知：內量子效率ηi為47.64%；內損耗αi為1.265cm－1.

2.3 器件鍍膜測試

將制備好的外延片解離成1mm腔長的單管管芯，然后P面向下燒結在鍍有銦的銅熱沉上，將銅熱沉封裝在TO－3的管座上，用LD2002C4型半導體激光器測試儀進行測試.施加1A的連續電流，測得器件的P－I－V曲線和垂直發散角，如圖4所示.

由圖4可知：器件的輸出光束在垂直方向附近出現2個光斑，其位置與理論推導到的±33.4°有一定偏差，這是由于在封裝時擺放管芯的過程中，芯片距離中心位置有一定的偏移.器件的閾值電流較大，達到400mA，這是由器件的結構所決定的.器件外延結構在多量子阱有源區兩側具有對稱的非1／4波長的DBR結構，注入的電子和空穴復合后發射出的光子除了在水平方向上的諧振腔內的損耗和腔面損耗外，還有一部分光子在上下DBR之間諧振，使得器件的閾值電流比普通F－P腔的邊發射半導體激光器的閾值電流大.

為了得到較大的輸出功率，對激光器的腔面進行鍍膜，一端鍍上90%的高反膜，另一端鍍上1.3%的增透膜.器件的測試結果，如圖5所示.鍍膜后對器件施加3A的連續電流，可得到1.40W的輸出功率.在脈沖條件下，器件在4A的驅動電流作用下，可得到2.26W的輸出功率.但此時閾值電流是490 mA，與鍍膜之前相比有了一定的增加，這是因為當器件的前后腔面鍍完膜后，器件的腔面損耗增大，總損耗增加，從而使器件的閾值電流變大.

2.4 變溫測試

半導體激光器的輸出特性與溫度密切相關.隨著溫度的升高，激光器的閾值電流增加，輸出功率降低，發射波長漂移，造成激光器模式不穩定，從而影響器件的壽命.對腔長為1mm，鍍有90%的高反膜和1.3%的增透膜的單管器件在283～343K溫度范圍內進行變溫測試，其P－I－V曲線如圖6所示.

由圖6可知：隨著溫度的升高，器件的閾值電流將會增加.這主要是因為隨著溫度的升高，器件的熱效應越來越顯著，使得器件中的損耗系數增加，漏電流增加，內量子效率降低，閾值電流增大.此外，器件的輸出功率也會逐漸較小，這是由于隨著溫度的升高，注入的電子中參與非輻射復合的電子數越來越多；從器件外部來看，器件注入的電功率轉化為焦耳熱的比例越來越大，最終導致輸出功率逐漸減小.

實驗中進一步研究了閾值電流與溫度的變化關系.閾值電流與溫度的關系滿足指數關系［16］為

式（6）中：Tr為室溫；Ith（Tr）為室溫下的閾值電流；T0為表征半導體激光器溫度穩定性的重要參數，稱為特征溫度，它與激光器的材料和結構有關，T0越大，表明激光器對溫度的敏感程度越小，熱特性越好.閾值電流和中心波長隨溫度的變化關系，如圖7所示.

圖4 腔面鍍膜前器件的P－I－V曲線及垂直遠場發散角 Fig.4 Device cavosurface with no coating filmP－I－Vsurve and divergence angle in the far field vertical direction

圖5 腔面鍍膜后器件的P－I－V曲線 Fig.5 Device cavosurface with coating filmP－I－Vsurve

圖6 不同溫度下器件P－I－V曲線Fig.6 P－I－Vsurve of different temperature

圖7 閾值電流及中心波長隨溫度變化趨勢Fig.7 Threshold current and central wavelength of different temperature

對式（6）兩邊取對數得lnIth（T）＝lnIth（Tr）＋（T－Tr）／T0.做lnIth（T）～T的關系曲線.由此可知：該曲線為1條直線，且斜率為1／T0，擬合數據后得到在283～343K溫度范圍內對應的特征溫度為91K.當溫度升高時，有源區半導體材料禁帶寬度將會減小，激射波長將會增大，即紅移，如圖7所示.隨溫度升高，紅移速率為0.256nm·K－1.

3 結束語

設計1種新型的具有波長布拉格反射波導結構的邊發射半導體激光器，其輸出功率主要集中在垂直方向上±33.4°處.通過擬合，得到器件的內量子效率為47.64%，內損耗為1.265cm－1.為了得到較大功率的輸出，對器件的前后端面分別鍍上90%的高反膜和1.3%的增透膜.由實驗可知：在連續注入3A電流時，可實現1.40W的功率輸出；脈沖注入4A電流時，可實現2.26W的功率輸出.此外，器件在283～343K的溫度范圍內對應的特征溫度可達到91K.

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