InAs/GaAs量子點激光器增益特性

魏育新,陳蕊麗

( 中國人民公安大學(xué)刑事科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京　100038)

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InAs/GaAs量子點激光器增益特性

魏育新,陳蕊麗

( 中國人民公安大學(xué)刑事科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京100038)

由于載流子在3個維度受到量子限制，半導(dǎo)體量子點具有類似于原子的分立能級，并展現(xiàn)出許多獨特的光學(xué)和電學(xué)性能.實驗研制了InAs/GaAs量子點半導(dǎo)體激光器，分別采用傅里葉級數(shù)展開方法和Hakki-Paoli方法準(zhǔn)確地測量和表征量子點激光器的模式增益，分析了其增益與損耗.實驗結(jié)果表明Hakki-Paoli方法受測量系統(tǒng)分辨率影響大，在增益譜峰值附近由其得到的增益明顯偏低.采用傅里葉級數(shù)展開方法并由測試系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)進行修正，可以獲得更準(zhǔn)確的增益譜.

半導(dǎo)體激光器；量子點；模式增益

由于載流子在3個維度受到量子限制，半導(dǎo)體量子點具有類似于原子的分立能級，并展現(xiàn)出許多獨特的光學(xué)和電學(xué)性能[1-4].相比于傳統(tǒng)的量子阱激光器，半導(dǎo)體量子點激光器具有更低的閾值電流密度、更高的微分增益、更高的溫度穩(wěn)定性以及更高的調(diào)制速率等優(yōu)越性能,有望成為局域網(wǎng)光通信系統(tǒng)及高速信息處理交換系統(tǒng)所需的關(guān)鍵光源，是目前半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域的研究熱點[5-7].然而，雖然量子點作為有源層具有較高的微分增益，但由于其光限制因子較小，使得其模式增益不高，這就限制了量子點激光器低閾值工作.因此，為優(yōu)化量子點激光器的性能，對其模式增益的分析就顯得極為重要.目前，由激光器放大的自發(fā)發(fā)射譜測量增益譜的方法主要包括：Hakki-Paoli方法[8]，Cassidy方法[9]，傅里葉變換方法[10]，以及傅里葉級數(shù)展開方法[11].對量子點激光器增益譜的研究，已有報道采用Hakki-Paoli方法[12-13]和分段接觸[14]的方法測量.本文采用傅里葉級數(shù)展開方法和Hakki-Paoli方法分別測量了實驗制備的量子點激光器，并對2種方法獲得的結(jié)果進行了比較，獲得了Hakki-Paoli受測量系統(tǒng)分辨率影響大，在增益譜峰值附近由Hakki-Paoli方法得到的增益明顯偏低的結(jié)論.

1　Fabry-pérot諧振腔增益譜

采用光譜儀測量Fabry-pérot激光器端面的發(fā)光，所測得的譜即所謂放大的自發(fā)發(fā)射(amplifiedspontaneousemission,ASE)譜.它被激光器的有源區(qū)放大并且被激光器端面所形成的Fabry-Pérot腔調(diào)制

(1)

其中Is為耦合到導(dǎo)波模式的自發(fā)發(fā)射，g為與波長相關(guān)的模式增益，R1、R2為Fabry-Pérot腔的端面反射率，n為等效折射率，L為諧振腔長，b為單程增益，可以表示為

(2)

基于Hakki-Paoli方法，可以獲得

(3)

其中ASE(λ0)和ASE(λ±π)分別為Fabry-Pérot腔每個縱模的最大值和相鄰的2個最小值.結(jié)合方程(2)和方程(3)，即可求得峰值波長處的凈模式增益.

基于傅里葉級數(shù)展開(FSE)方法，定義波數(shù)β=2π/λ，選擇一個縱模從β-π到β+π，將放大的自發(fā)發(fā)射按照傅里葉級數(shù)展開，其中m級系數(shù)

(4)

其中Δβ=βπ-β-π，則

(5)

其中ASE1與ASE0分別為放大自發(fā)發(fā)射譜的1階和0階傅里葉展開系數(shù)，C為與光譜儀分辨率有關(guān)的修正系數(shù).

(6)

其中f(x)光譜儀的響應(yīng)函數(shù)，即對線寬遠(yuǎn)小于光譜儀分辨率的單模激光的響應(yīng).

2　實驗樣品制備

表1為InAs/GaAs量子點激光器外延結(jié)構(gòu).在n型GaAs襯底上生長緩沖層，然后生長1.4μm的n-Al0.4Ga0.6As光限制層，然后生長5層InAs量子點，再生長1.4μm的p-Al0.4Ga0.6As，最后生長重?fù)诫s的p+GaAs歐姆接觸層，其中有源區(qū)使用了5層量子點結(jié)構(gòu)以增加量子點的密度，提高發(fā)光強度.

將InAs/GaAs量子點半導(dǎo)體激光器的外延片用光刻膠做掩模，濕法腐蝕4μm寬的脊波導(dǎo)，采用SiO2做電隔離層，開電學(xué)窗口后蒸Ti-Pt-Aup-型電極，襯底減薄后蒸Au-Ge-Nin-型電極，然后解理成450μm的激光器管芯，最后將管芯燒焊在銅熱沉上.

表1　InAs/GaAs量子點激光器外延結(jié)構(gòu)Tab.1　Structure schematic diagram of InAs/GaAs quantum dot semiconductor lasers

實驗測得所制備的InAs/GaAs量子點半導(dǎo)體激光器電壓和光輸出響應(yīng)曲線如圖1所示，其閾值電流約80mA，圖2所示為在注入電流為100mA時的光譜圖.

圖1量子點激光器電壓及輸出光功率隨注入電流的變化曲線

Fig.1Voltageandoutputpowerasfunctionsofinjectioncurrentforquantumdotlasers

圖2注入電流為100mA時量子點激光器激射光譜

Fig.2Emissionspectrumattheinjectioncurrentof100mAforthequantumdotlasers

3　實驗結(jié)果與分析

激光器工作的必要條件之一是存在增益介質(zhì)，產(chǎn)生受激放大.當(dāng)注入電流使得載流子濃度達到透明載流子濃度時，其增益等于內(nèi)部損耗.隨著注入電流的進一步增加，有源區(qū)粒子數(shù)進一步反轉(zhuǎn)，此時，半導(dǎo)體材料能使對應(yīng)波長的光產(chǎn)生放大作用，這個放大的能力可以用半導(dǎo)體材料增益描述.這種增益稱為材料增益，一般用gmat表示.考慮到半導(dǎo)體激光器波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，與某一特定的波導(dǎo)模式對應(yīng)的增益為模式增益，這就使得模式增益與材料增益之間相差一個系數(shù)——光限制因子Γ.光限制因子描述的是集中在有源區(qū)的光場能量占整個波導(dǎo)中光場總能量的比值.此外，光場在諧振腔中諧振過程中，會受到波導(dǎo)中自由載流子吸收損耗，界面處散射損耗等各種不同形式的光子損耗，用α表示.其中，激光器波導(dǎo)中模式的凈模式增益gmod，材料增益以及損耗的關(guān)系可由下面的表達式給出gmod=Γgmat-α.公式(2)中g(shù)即為凈模式增益gmod.

圖3　注入電流為60 mA時，量子點 激光器放大的自發(fā)發(fā)射譜Fig.3　Amplified spontaneous emission spectrum with the injection current of 60 mA for the quantum dot lasers

圖3給出了注入電流為60mA時，量子點激光器放大的自發(fā)發(fā)射譜，其表現(xiàn)為雙峰結(jié)構(gòu)，分別對應(yīng)于量子點基態(tài)和激發(fā)態(tài).局部放大如圖所示，從中可以看出，放大的自發(fā)發(fā)射譜表現(xiàn)為波長的緩變函數(shù)，受Fabry-Pérot腔的調(diào)制作用，每個縱模的調(diào)制深度與端面反射率以及凈模式增益有關(guān).

圖4給出了注入電流分別為10、40、70、80mA時，采用傅里葉級數(shù)展開方法獲得的量子點激光器模式增益譜.從圖中可以看出，在注入電流為10mA時，增益譜的峰值在1 310nm附近，其主要來自于量子點基態(tài)對增益的貢獻.在整個測試波長范圍內(nèi)激光器的凈模式增益均小于0，表明在此注入水平下載流子并沒有達到透明載流子濃度，并不足以克服內(nèi)部損耗.隨著注入電流的增加，在40mA注入電流的情況下，波長1 300nm和1 210nm附近分別出現(xiàn)峰值，分別對應(yīng)于量子點的基態(tài)與激發(fā)態(tài)對增益的貢獻.1 300nm附近的增益峰值大于1 210nm附近的峰值，這主要是由于載流子從低能態(tài)往高能態(tài)填充，基態(tài)載流子對增益的貢獻大于激發(fā)態(tài).隨著注入電流的繼續(xù)增加，基態(tài)載流子出現(xiàn)飽和，表現(xiàn)為基態(tài)增益峰值基本不隨注入電流的增加而增加，而激發(fā)態(tài)的增益峰值隨著注入電流的增加而顯著增加.

圖5 分別采用傅里葉級數(shù)展開方法和Hakki-Paoli方法在注入電流為80mA和30mA時獲得的凈模式增益譜.當(dāng)注入電流為80mA時，在激光器閾值附近，波長為1 204nm，分別采用傅里葉級數(shù)展開方法和Hakki-Paoli方法獲得的模式增益分別為25.0cm-1和23.8cm-1，與激光器端面損耗相比較，可以看出在增益譜峰值附近由Hakki-Paoli方法得到的增益明顯偏低.在注入電流為30mA時，采用傅里葉級數(shù)展開方法獲得的增益譜仍高于Hakki-Paoli方法，如圖5所示．在注入電流高于閾值電流時，激射的模式產(chǎn)生競爭使得模式增益無法準(zhǔn)確測量．采用Hakki-Paoli方法測量模式增益簡單，但它受測量系統(tǒng)分辨率影響大.傅里葉級數(shù)展開方法從單個縱模著手，系統(tǒng)分辨率的影響可以通過簡單修正消除掉，并且由于傅里葉級數(shù)展開方法暗含了求平均過程，所以其受噪聲的影響也要小于Hakki-Paoli方法.因此傅里葉級數(shù)展開方法獲得的增益譜更為接近實際值.

圖4注入電流分別為10、40、70、80mA時，采用傅里葉級數(shù)展開方法獲得的量子點激光器模式增益譜

Fig.4Netmodegainspectraattheinjectioncurrentsof10,40,70,80mAbyFourierseriesexpansionmethod

圖5分別采用傅里葉級數(shù)展開方法(FSE)和Hakki-Paoli方法在注入電流為30mA和80mA時獲得的凈模式增益譜

Fig.5Netmodegainspectrumattheinjectioncurrentof30and80mAbyFourierseriesexpansionmethodandHakki-Paolimethod

4　結(jié)論

本文實驗制備了波長1.3μm的InAs/GaAs量子點半導(dǎo)體激光器，腔長450μm，脊型波導(dǎo)寬4μm，實現(xiàn)激射閾值電流80mA.由實驗測得的放大的自發(fā)發(fā)射譜分別采用傅里葉級數(shù)展開方法和Hakki-Paoli方法獲得了其增益譜，分析發(fā)現(xiàn)由于受測量系統(tǒng)分辨率影響，由Hakki-Paoli方法得到的增益譜在增益譜峰值附近明顯偏低，這主要是由于測量系統(tǒng)分辨率的影響所導(dǎo)致的.通過對傅里葉級數(shù)展開方法進行系統(tǒng)分辨率的修正，可以消除其影響，獲得更準(zhǔn)確的增益譜.

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(責(zé)任編輯：孟素蘭)

GaincharacteristicsofInAs/GaAsquantumdotlasers

WEIYuxin，CHENRuili

(CollegeofCriminalScienceandTechnology,People’sPublicSecurityUniversityofChina,Beijing100038,China)

Duetotheatom-likestatedensities,quantum-dot(QD)lasershaveanumberofuniqueopticalandelectronicproperties.Inthiswork,InAs/GaAsquantumdotsemiconductorlasersarefabricated,andtheirmodegainspectraaremeasuredbytheFourierseriesexpansionmethodandtheHakki-Paolimethod.Hakki-Paolimethodisfoundtobeinfluencedbytheresolutionofthemeasurementsystem,leadingtounderestimatedgain.Ontheotherhand,wefoundthatFourierSeriesExpansionmethodwithacorrectionfactorderivedfromtheresponsefunctionofthemeasurementsystemcanbeusedtoobtaingainspectrumwithhighaccuracy.

semiconductorlaser;quantumdot;modegain

10.3969/j.issn.1000-1565.2016.03.003

2015-04-17

中國人民公安大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費資助項目(2014JKF0013)

魏育新(1974—)，男，江蘇徐州人，中國人民公安大學(xué)講師，博士，主要從事半導(dǎo)體器件研究.

E-mail：weiyuxin@ppsuc.edu.cn.

TN

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