低閾值單橫模852 nm半導體激光器?

劉儲 關(guān)寶璐 米國鑫 廖翌如 劉振揚 李建軍 徐晨

(北京工業(yè)大學,信息學部電子科學與技術(shù)學院,光電子技術(shù)省部共建教育部重點實驗室,北京100124)

低閾值單橫模852 nm半導體激光器?

劉儲 關(guān)寶璐?米國鑫 廖翌如 劉振揚 李建軍 徐晨

(北京工業(yè)大學,信息學部電子科學與技術(shù)學院,光電子技術(shù)省部共建教育部重點實驗室,北京100124)

(2016年9月7日收到;2017年1月30日收到修改稿)

基于波導理論、等效折射率方法,設(shè)計并制備了非對稱波導隔離雙溝結(jié)構(gòu)脊型邊發(fā)射激光器,最終獲得了低閾值單基側(cè)模852 nm激光器.詳細研究了不同脊型臺深寬比參數(shù)設(shè)計對激光器側(cè)向模式特性的影響規(guī)律,實現(xiàn)了腔面未鍍膜情況下脊型波導邊發(fā)射激光器的單基側(cè)模穩(wěn)定輸出,同時激射波長可以精確調(diào)諧到852 nm;工作電流達到150MA,工作溫度30?C;斜率效率最高可達0.89 mW/MA,光譜半寬小于1 nm.研究結(jié)果為進一步實現(xiàn)超窄線寬激光器提供了參考和借鑒,并且為實現(xiàn)激光器穩(wěn)定輸出提供了實驗基礎(chǔ).

脊型波導邊發(fā)射激光器,側(cè)向模式,模式穩(wěn)定性

1 引言

隨著信息化時代科學技術(shù)的高速發(fā)展,具有低閾值、高微分量子效率、低熱阻和單橫模的高性能半導體激光器已經(jīng)成為面向光纖傳送數(shù)字通信、光交換的密集波分復用(DWDM)系統(tǒng)、集成光子計算以及生物醫(yī)療等領(lǐng)域的核心器件,同時,在原子鐘、磁力儀及陀螺儀等原子傳感、探測的高新技術(shù)領(lǐng)域,具有模式穩(wěn)定、高光束質(zhì)量和窄線寬的高性能852 nm半導體激光器[1,2]抽運的銫原子頻譜可以用于時間頻率的精密測量、航天衛(wèi)星光子慣性導航、車船空間定位與導引等.因此,高功率、低閾值、模式特性穩(wěn)定的高光束質(zhì)量852 nm半導體激光器光源成為人們研究的熱點和重點.然而,由于激光器的本身外延結(jié)構(gòu)限制,雖然垂直橫模為穩(wěn)定單模輸出,但是側(cè)模受到激光器橫向結(jié)構(gòu)影響嚴重,其單基模輸出條件苛刻.而且對于脊型波導結(jié)構(gòu),由于光波導導引機制的競爭和模式競爭同時存在,使得側(cè)向模式控制更為困難[3,4].因此,實現(xiàn)高邊模抑制比的單基側(cè)模輸出,詳細闡明側(cè)模導引機制轉(zhuǎn)變與模式競爭過程成為本文的研究重點.

對于條形激光器側(cè)向?qū)б龣C制,在1975—1977年間,Cook和Nash[5]以及K rupka和Paoli[6]進行了一系列理論和實際的研究工作.K irkby和ThoMpson[7]也做過實驗研究,與Cook的結(jié)果一致,給出了對于條形激光器在側(cè)向?qū)б龣C制方面的解釋,即解釋了“kink”效應(yīng).對于脊型波導激光器,雖然與條形激光器有相似之處,但在激光器側(cè)向結(jié)構(gòu)上有著本質(zhì)的不同,在這個方面還未見有深入探究.對于激光器側(cè)向模式的控制需要做到兩點:1)激光器輸出光功率無“kink”效應(yīng),即保證激光器工作狀態(tài)下導引機制不發(fā)生變化;2)激光器脊型臺深寬比的最優(yōu)選擇,即保證低階模式容易占據(jù)主導地位.本文中,對于在超精細光譜測量、原子鐘、衛(wèi)星及光纖通信等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用的852 nm半導體激光器的側(cè)向模式進行了理論分析和實驗探究.利用等效折射率方法對無源波導結(jié)構(gòu)中的模式特性進行理論分析,并優(yōu)化設(shè)計了單基側(cè)模脊型波導的結(jié)構(gòu)參數(shù),最終實現(xiàn)了852 nm半導體激光器單基側(cè)模激射和線性光功率輸出,為進一步實現(xiàn)窄線寬852 nm半導體激光器打下了良好基礎(chǔ).

2 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計與制備

圖1為852 nm脊型波導邊發(fā)射激光器的立體結(jié)構(gòu)示意圖.其中,w表示脊型臺寬度;d表示脊型臺腐蝕深度;h表示隔離溝槽腐蝕深度;n1,n2,n3分別表示不同位置結(jié)構(gòu)中的有效折射率.建立有效折射率差值可以為控制側(cè)向模式提供更多結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方式[8].一階側(cè)模的截止寬度為

其中λ0為中心波長.

圖1中852 nm半導體激光器外延結(jié)構(gòu)是通過金屬有機物化學氣相淀積(MOCVD)外延生長得到,其主要結(jié)構(gòu)為:在n型GaAs襯底上生長緩沖層與A l組分漸變的A lGaAs過渡層,隨后生長厚度為1μm的n型摻雜A l0.5Ga0.5As限制層;再生長A l0.3Ga0.7As非對稱波導結(jié)構(gòu)和InA lGaAs有源層[9?11],其中p型側(cè)厚度為400 nm,n型側(cè)厚度為200 nm;然后生長厚度為1μm的p型摻雜A l0.42Ga0.58As限制層;最后生長A l組分漸變的A lGaAs過渡層和p型重摻雜GaAs接觸層.其制備工藝流程為:首先利用光刻和濕法腐蝕工藝,刻蝕出兩條隔離溝槽,隔離溝槽之間相距30μm;隨后再光刻和腐蝕出寬度為5μm的脊型臺,脊型臺深度分別有500和800 nm;然后通過等離子體增強化學氣相淀積(PECVD)淀積一層200—300 nm厚(厚度隨脊型臺腐蝕深度加深而增厚)的SiO2電隔離層;采用剝離工藝去除SiO2制作出5μm電極窗口;利用磁控濺射儀,濺射315 nm的Ti/Au p型電極,運用剝離工藝形成電極圖形,使得激光器腔面位置沒有電流注入[12];然后背面襯底減薄至120μm,濺射350 nm的AuGeNi/Au n型電極,并在435?C,35 s的條件下進行快速退火處理,最終得到具有良好歐姆接觸的852 nm半導體激光器芯片.

圖1 (網(wǎng)刊彩色)脊型波導邊發(fā)射激光器立體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.(color on line)ScheMatic diagraMof the three-d iMensional structu re of the ridge waveguide diode lasers.

3 實驗結(jié)果與分析

從理論可知脊型波導邊發(fā)射激光器可通過臺面高度來產(chǎn)生折射率差值的變化,從而設(shè)計不同參數(shù)的脊型臺控制激光器單基側(cè)模工作[13?15].但在平行于結(jié)的側(cè)向方向上,光波導引機制又受到增益導引機制和弱折射率導引機制的共同作用[16],因此,側(cè)向模式的不穩(wěn)定性較為突出.上述兩種導引機制互相競爭,在較低的注入電流水平下側(cè)向模式為增益導引,但當注入電流水平高于某一程度以后便會轉(zhuǎn)變?yōu)檎凵渎蕦б?由于自由載流子濃度的變化,引起了波導特性的改變,也就是說波導性質(zhì)是由載流子變化而決定的.根據(jù)波導理論的分析,脊型臺寬度可以調(diào)控側(cè)向模式階數(shù),脊型臺深度能夠控制側(cè)向?qū)б龣C制,兩者的比值——脊型臺面深寬比(d/w)是影響模式穩(wěn)定性的決定性因素[17,18].由此,我們可以推斷出脊型臺寬度和脊型臺腐蝕深度是兩個最為關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)參數(shù).另外,激光器的隔離溝槽雙溝結(jié)構(gòu),為激光器在外部結(jié)構(gòu)中提供了更大的折射率差值,該條件可將電子和光子更好地限制在發(fā)光區(qū)中,降低閾值電流,提升激光器輸出光功率.同樣作為結(jié)構(gòu)上的改進,光刻電極圖形,腔面處無電極,無電流注入,便減少了非輻射復合[19,20],可進一步提高輸出功率,減緩腔面光學災變性損傷(COD).

圖2所示為激光器的光功率和光譜特性曲線.因為脊型波導邊發(fā)射激光器的側(cè)向模式會受到脊型臺條寬度和深度的雙重影響,因此,在實驗過程中,我們根據(jù)(1)式確定脊型臺條寬度為5μm,只改變脊型臺腐蝕深度,即分析脊型臺深度500 nm(淺腐蝕,圖2(a))和800 nm(深腐蝕,圖2(b))的兩個激光器的主要特性.從圖2中可以看出,在脊型臺條寬相同的情況下,腐蝕深度(即折射率差值)越大,模式階數(shù)也高,從而形成的穩(wěn)定振蕩模式也就越多,造成激射波長不穩(wěn)定,容易產(chǎn)生跳變(導引機制以及模式之間),如圖2(b)所示.說明激光器激射過程中側(cè)向模式的競爭較為激烈,導引機制發(fā)生轉(zhuǎn)變,從增益導引機制跳轉(zhuǎn)到弱折射率導引機制,側(cè)向模式再在弱折射率機制控制下,主模與邊模相互競爭,導致激射模式不穩(wěn)定.因此,在140 MA驅(qū)動電流時,電壓及輸出光功率都發(fā)生了波動,沒有保持線性變化,即弱折射率導引機制下激光器多側(cè)模激射時自身不穩(wěn)定.

脊型激光器結(jié)構(gòu)本身為弱折射率導引,在平行于結(jié)平面方向存在折射率差值;然后,在小電流注入下,注入電子復合還較小,所以載流子濃度增大,導致脊型臺垂直方向的折射率減小,即平行于結(jié)平面方向的折射率差值較小,向增益導引過渡;但隨著電流注入的增大,激光器激射后,注入的電子發(fā)生輻射復合轉(zhuǎn)換為光子輸出,載流子濃度下降,脊型臺垂直方向的折射率升高,并且由于注入電子會發(fā)生橫向擴散,脊型臺兩側(cè)區(qū)域載流子濃度升高,折射率降低,從而平行于結(jié)平面方向的折射率差值再次增大,轉(zhuǎn)變回弱折射率導引.腐蝕深度越深,折射率差值越大.在小電流下,激光器電子轉(zhuǎn)換為光子水平較低,腐蝕深度越深,從增益導引機制轉(zhuǎn)換回弱折射率導引機制所需的電流也就越多,光功率曲線越容易發(fā)生扭折.

圖2(a)的P-I-V曲線始終保持著線性增加的趨勢,說明激光器在激射的過程中處于穩(wěn)定的弱折射率導引機制下.同時,更小的折射率差值(平行于結(jié)平面方向)對于控制側(cè)向模式在低階模式也更為有效.

圖2功率曲線及側(cè)向模式對比(a)光功率曲線及單側(cè)模激射;(b)光功率曲線“kink”效應(yīng)及多側(cè)模激射Fig.2.Laser ou tput power cu rve and lateral Mode contrast:(a)Laser power and single fundaMental lateralMode spectrum;(b)laser power w ith“kink”eff ect and lateralMu lti-Mode spectrum.

圖3 為在注入電流增加過程中激光器的光譜曲線,可以表明側(cè)向模式的狀態(tài).電流從零開始逐漸增加,在50 MA左右激光器激射,此時光譜曲線中還未有明顯的峰值突起;電流增大到100MA時,光譜曲線中出現(xiàn)明顯的雙峰,說明側(cè)向模式為高階模式獲得了更大的增益效果占據(jù)主導地位;隨電流進一步加大到130 MA時,低階側(cè)模模式開始獲得較強的增益,抑制高階側(cè)向模式,從高階側(cè)模向低階側(cè)模過渡,原因是折射率導引機制的限制效果增強,從而脊型結(jié)構(gòu)對低階模式的控制力增強;電流增大到本文中的工作電流150 MA時,光譜曲線明顯呈現(xiàn)出激光器單基側(cè)模穩(wěn)定激射.因此,在激光器激射工作之后,其工作條件穩(wěn)定在弱折射率導引機制內(nèi),只存在模式競爭.當某階模式獲得的增益最大并穩(wěn)定后,其就獲得主導地位,能夠壓制其余階數(shù)模式甚至只有其自身存在(某階模式能否存在還要取決于其在波導中能否形成振蕩).因為注入載流子呈“鐘形”分布,與側(cè)向基模更易于耦合,所以激光器在150 MA工作電流下產(chǎn)生穩(wěn)定激射.從功率曲線圖中150 MA電流附近,斜率效率有增大的現(xiàn)象,由此可以推斷出激光器單模穩(wěn)定工作可以保證激光器更為優(yōu)秀的性能表現(xiàn).穩(wěn)定激射和斜率效率增大的現(xiàn)象可以在一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定,但是,由于(1)式所體現(xiàn)的控制條件和圖3所顯示的變化過程,該現(xiàn)象在大的變化范圍下不能得到維持.

圖3 在25?C溫度條件下同一個激光器在不同工作電流下激射模式的競爭(a)激光器光功率電流電壓曲線;(b)100 MA注入電流下激光器光譜曲線;(c)130 MA注入電流下激光器光譜曲線;(d)150 MA注入電流下激光器光譜曲線Fig.3.The lasing Mode coMpetition under diff erent working cu rrent at the teMperature of 25?C:(a)P-I-V cu rve of the laser d iode;(b)spectruMof the laser diode by 100 MA cu rrent;(c)spectruMof the laser d iode by 130 MA current;(d)spectruMof the laser diode by 150 MA current.

在脊型波導量子阱半導體激光器中,平行于結(jié)平面方向各向同性,無勢壘對載流子進行限制,因此,量子阱中的擴展電流嚴重.同時,在平行于結(jié)方向上建立弱的折射率波導(即脊型臺)限制能力也相對有限,這樣在限制層和波導層中也同樣存在擴展電流.并且隨著脊型臺寬度的減小,電流擴展幅度更為明顯,從而造成注入電流不集中,閾值電流增大,激射光斑變大.因此,本文設(shè)計了雙溝隔離槽結(jié)構(gòu),不僅限制有源區(qū)電流擴展作用,減小閾值電流,而且避免在后續(xù)工藝封裝過程中對器件帶來損傷,進一步提高激光器輸出功率和波長溫度穩(wěn)定性.激光器在一定溫度范圍內(nèi)單基側(cè)模穩(wěn)定輸出光譜曲線如圖4所示,隨著溫度升高強度有略微下降,原因是溫度升高后非輻射復合概率升高,缺陷增多,導致熱效應(yīng)明顯,光輸出減弱.如圖4中波長與溫度關(guān)系曲線所示,在更大的溫度變化范圍內(nèi)激光器激射波長基本保持線性增加.本文所制備的激光器單基側(cè)模強度可達30 dBm(1 dBm=10 lg(mW))左右,激射光譜半寬小于1 nm.激光器波長溫度漂移量為0.25 nm/?C.

圖5為852 nm激光器遠場光斑圖像,從圖中可以清楚地看到激光器激射為單基側(cè)模還是多側(cè)模狀態(tài).激光器的水平發(fā)散角為1.8?,垂直發(fā)散角為14.9?,半導體激光器性能有了明顯提升.測試結(jié)果顯示本文所設(shè)計的雙溝槽結(jié)構(gòu)對于激光器性能有顯著的增強,包括閾值電流從100 MA減小到50 MA,提升了50%;輸出光功率從平均50mW增到72mW,提升了44%;斜率效率從平均0.6mW/MA增加到0.7mW/MA,提升了17%.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)激光器遠場光斑及遠場發(fā)散角Fig.5.(color on line)Laser far field spot and divergence angle:single fundaMental lateralMode far field spot.

4 結(jié)論

本文基于波導理論,通過等效折射率方法對模式控制進行分析,設(shè)計并制備了非對稱波導隔離雙溝結(jié)構(gòu)的852 nm脊型波導邊發(fā)射激光器單管器件,最終實現(xiàn)了激光器在一定范圍內(nèi)的單基側(cè)模穩(wěn)定輸出,并且激光器閾值電流為50 MA,平均斜率效率0.7mW/MA以上,最高可達0.89 mW/MA.

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(Received 7 Sep teMber 2016;revised Manuscrip t received 30 January 2017)

PACS:42.55.Px,42.60.Fc,42.62.–bDOI:10.7498/aps.66.084205

*Pro ject supported by the Foundation of Based Technology,China(G rant No.YXBGD 20151JL01),the National Natu ral Science Foundation of China(G rant Nos.61575008,60908012,61376049,61076044,61107026,61204011),the Natu ral Science Foundation of Beijing,China(G rant Nos.4172011,4132006,4102003,4112006),and the Scientifi c Research Fund Pro ject of Municipal Education ComMission of Beijing,China(G rant No.KM201210005004).

?Corresponding author.E-Mail:gb l@b jut.edu.cn

A low th reshold sing le transverse Mode 852 nMseMiconductor laser d iode?

Liu Chu Guan Bao-Lu?MiGuo-Xin Liao Yi-Ru Liu Zhen-Yang Li Jian-Jun Xu Chen

(Key Laboratory ofOpto-Electronics Technology Ministry of Education,College of Electronic Science and Technology,Facu lty of InforMation Technology,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)

A 852 nMridge waveguide edge eMitting laser has iMportant app lications.But lateralMode instability leads to its poor beaMquality because of its ridge structure.Such a structure gives rise to two guidanceMechanisMs(gain-guide and index-guide),whose change leads to“kink”eff ect.So,the controlof the single fundamental lateralmode ismore diffi cult.There is no well-inforMed study in these aspects for ridgewaveguide edge eMitting lasers.In this paper we study how to iMprove the beaMquality for achieving a stable fundamental lateralmode output experimentally.We are to investigate the influence of lateralMode characteristics of the laser w ith diff erent ridge depth-to-w id th ratios in detail by waveguide theory and equivalent refractive index Method.Depth and w idth of the ridge are two key paraMeters infl uencing lateral mode.The depth can control lateral guidancemechanism,and the w idth can control lateralmode order.We find that the ratiomust be in a liMited range to ensure the single fundaMental lateralMode steady.Through theoretical analysis of waveguide theory and equivalent refractive index Method,we obtain a liMited range of depth-to-w idth ratio.Then we conduct an experimental coMparison,where we ad just the ridge depth,w ith the w idth fixed,to control the ratio.Meanwhile we iMprove the fabrication technology to ensure the accuracy of the structure.We design and fabricate an asymMetric waveguide ridge waveguide edge eMitting laser w ith isolation grooves,whose active region is the core of asymmetric waveguide epitaxy structure.The key structural parameters are 5μMin ridgew id th,500 nMin ridge depth,2μMin isolation grooves depth,10μMin w id th,30μMin spacing between the grooves,and 1 mMin cavity length.Isolation grooves are very useful for iMproving the performance of the laser:threshold decreased by 50%,output power raised by 44%,and slop effi ciency increased by 17%.And the equally crucial role of grooves is to avoid being daMaged at packaging process to Maintain laser structure.Finally we achieve a stab le single fundaMental lateralMode output and an accurate tuning wavelength at 852 nMof ridge waveguide edge eMitting laser w ithout cavity surface coated at working current 150 MA,working teMperature 30?C(working conditions can be changed in a sMall range).The slope effi ciency is on average 0.7 mW/MA(itsMaximuMvalue is 0.89 mW/MA),and the full wave at halfMaximuMis less than 1 nm.A lthough we iMp rove the performance of ridge waveguide edge eMitting laser and beaMquality for stable output,there is still a need to further study the stab le output over a w ide range.The results in this paper w ill provide a useful reference for realizing the stable output ridge waveguide edge eMitting lasers and the ultra-narrow line-w id th lasers.

ridge waveguide edge eMitting laser,lateralmode,mode stability

10.7498/aps.66.084205

?半導體激光器產(chǎn)業(yè)化技術(shù)基金(批準號:YXBGD 20151JL01)、國家自然科學基金(批準號:61575008,60908012,61376049,61076044,61107026,61204011)、北京市自然科學基金(批準號:4172011,4132006,4102003,4112006)和北京市教育委員會基礎(chǔ)技術(shù)研究基金(批準號:KM201210005004)資助的課題.

?通信作者.E-Mail:gb l@b ju t.edu.cn

?2017中國物理學會C h inese P hysica l Society

http://w u lixb.iphy.ac.cn