基于周期性電極的窄條單縱模674 nm半導(dǎo)體激光器

單肖寧， 張 晶， 韓金樑， 張萬里， 單肖楠*

(1. 長春理工大學(xué) 理學(xué)院， 吉林 長春 130022； 2. 長春理工大學(xué) 外國語學(xué)院， 吉林 長春 130022；3. 吉林省長光瑞思激光技術(shù)有限公司， 吉林 長春 130033)

1 引 言

單縱模半導(dǎo)體激光器具有良好的光譜特性以及相干特性，所以被廣泛應(yīng)用于堿式原子鐘或光纖激光器的高效泵浦源[1]、精確的氣體傳感和光譜學(xué)檢測[2]、機(jī)器人視覺應(yīng)用中的相干光檢測與測距[3]、高速伺服控制回路與光纖故障檢測[4]、空間激光通訊等領(lǐng)域[5]。

相比于808 nm和980 nm等常見波長單縱模半導(dǎo)體激光器，67x nm單縱模半導(dǎo)體激光器的相關(guān)報(bào)道甚少。主要是由于67x nm半導(dǎo)體激光器的波長相對較短，光子能量相對較高，所以器件在高功率下工作時(shí)穩(wěn)定性較差，比如會出現(xiàn)腔面燒毀等現(xiàn)象[6]。對于增益波長為67x nm的外延材料，其有源區(qū)和限制層之間的帶隙差較小，所以對于注入載流子的限制能力較弱，此時(shí)容易產(chǎn)生泄露電流。這會降低半導(dǎo)體激光器的轉(zhuǎn)換效率以及內(nèi)量子效率，同時(shí)會降低激光器的特征溫度，使器件對溫度的敏感度變高[7]。這些因素都極大地增加了67x nm單縱模半導(dǎo)體激光器的制作難度。目前，67x nm激光器的主要應(yīng)用領(lǐng)域是Li6和Li7的同位素分離以及可見光通信上。

2018年，德國FBH研究所使用電子束光刻技術(shù)和二次外延技術(shù)制作了一種基于40階表面光柵的670 nm單縱模半導(dǎo)體激光器[8]，實(shí)現(xiàn)了邊模抑制比高達(dá)50 dB的單縱模激射。他們在器件中使用了電子束曝光技術(shù)，該技術(shù)精度高，但是花費(fèi)時(shí)間較長，且器件制作工藝復(fù)雜，成本高昂，這在很大程度上限制了670 nm單縱模半導(dǎo)體激光器的大規(guī)模生產(chǎn)及應(yīng)用。因此如何對器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)、通過簡單工藝過程來獲得67x nm單縱模半導(dǎo)體激光器是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

為了解決這些問題，我們提出了一種無需二次外延、低成本的周期性電極的窄條形674 nm半導(dǎo)體激光器來實(shí)現(xiàn)單縱模工作。僅使用i線光刻技術(shù)和普通的刻蝕技術(shù)制作的周期性溝槽增強(qiáng)了量子阱中載流子密度的對比度，從而增加了量子阱中增益的對比度，周期性電極會使器件中形成周期性的電流分布，在沒有有效折射率耦合效應(yīng)的情況下使得量子阱中形成增益耦合機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了單縱模激光的輸出。當(dāng)注入電流為85 mA、測試溫度18 ℃時(shí)，激光器的輸出功率為2.603 mW。 當(dāng)注入電流為60 mA時(shí)，在不同測試溫度下，器件均保持單縱模工作。當(dāng)室溫為16 ℃時(shí)，測得器件的光譜線寬可達(dá)到2.42 pm，邊模抑制比為47 dB。 我們所提出的僅使用簡單工藝的器件結(jié)構(gòu)能有效地降低單縱模激光器的制造成本，適合大面積制備，能有效地降低器件成本，具有廣泛的應(yīng)用前景。

2 激光器結(jié)構(gòu)及制備

圖1是周期性電極窄條半導(dǎo)體激光器的示意圖。如圖所示，它是在脊型法布里-珀羅激光器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上制作，在脊型波導(dǎo)上刻蝕周期性的表面絕緣溝槽結(jié)構(gòu)，溝槽部分蒸鍍了二氧化硅絕緣薄膜進(jìn)而形成絕緣層(如圖1(c)所示)，但凸起部分(即未刻蝕部分)則進(jìn)行正常的電極口制備形成歐姆接觸，進(jìn)而形成周期性電極結(jié)構(gòu)(如圖1(c)所示)，實(shí)現(xiàn)了周期性的電注入。刻蝕溝槽增強(qiáng)了量子阱中載流子密度的對比度，從而增加了量子阱中增益的對比度，周期性電極使器件中會形成周期性的電流分布，在沒有有效折射率耦合效應(yīng)的情況下使得量子阱中形成增益耦合機(jī)制，進(jìn)而對激光器的光譜進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)單縱模激光輸出。

圖1 (a)周期性電極窄條半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)圖;(b)周期性電極窄條半導(dǎo)體激光器的部分結(jié)構(gòu)及各層材料示意圖;(c)周期性電極的橫截面示意圖。

Fig.1 (a) Structure diagram of periodic electrode narrow-strip laser. (b) Partial structure diagram of periodic electrode narrow-strip laser and schematic diagram of each layer. (c) Cross-section schematic of periodic electrode.

為了減少周期性溝槽所引入的折射率耦合效應(yīng)，本文設(shè)計(jì)的器件的折射率耦合系數(shù)必須小到可以直接忽略的程度。耦合系數(shù)k的理論計(jì)算公式如下[9]：

(1)

其中，L是激光器的腔長，本文設(shè)計(jì)為1 mm，Λ是增益耦合光柵的周期，Δn是波導(dǎo)中折射率的變化，neff是光柵區(qū)域的有效折射率。

為了使折射率耦合系數(shù)足夠小，根據(jù)公式(1)可知我們需要設(shè)計(jì)足夠大的光柵周期Λ及足夠小的折射率變化Δn。本文中腔長L設(shè)計(jì)為1 mm；光柵周期Λ設(shè)計(jì)為9.02 μm(與折射率耦合高階布拉格光柵分布反饋激光器的250 nm 光柵周期相比[10-11]，我們所設(shè)計(jì)的光柵周期是足夠大的)；我們使用商業(yè)軟件COMSOL 計(jì)算了芯片未蝕刻部分的有效折射率為3.357 8，刻蝕溝槽區(qū)域的有效折射率為3.357 6，折射率的變化Δn為二者之差0.000 2，也是足夠小的。根據(jù)公式(1)以及上述數(shù)據(jù)我們計(jì)算出周期性電極窄條半導(dǎo)體激光器的耦合系數(shù)k只有0.007。目前所報(bào)道的高階布拉格光柵激光器的耦合系數(shù)k≈0.3，折射率耦合分布反饋激光器的耦合系數(shù)k>1[12-14]，相比上述所報(bào)道的耦合系數(shù)，我們設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的折射率耦合系數(shù)足夠小，對于所設(shè)計(jì)的周期性電極窄條半導(dǎo)體激光器可以確保其在增益耦合機(jī)制下工作，因?yàn)樗恼凵渎蜀詈闲?yīng)已經(jīng)小到可以忽略不計(jì)的程度，進(jìn)而保證單縱模激光輸出。

本文制作的激光器的芯片具體結(jié)構(gòu)如表1所示，由金屬有機(jī)氣相沉積外延技術(shù)生長而成。器件采用在674 nm處發(fā)射的AlGaInP/GaInP量子阱作為增益材料。增益耦合光柵結(jié)構(gòu)的周期為9.02 μm，其中溝槽長度為6 μm。在外延生長之后，在芯片上使用i線光刻法制作周期性溝槽結(jié)構(gòu)，然后使用電感耦合等離子體技術(shù)刻蝕溝槽的深度至600～700 nm。周期性溝槽結(jié)構(gòu)形成后，使用i線光刻6 μm寬的脊型波導(dǎo)，并在溝槽兩側(cè)使用濕法刻蝕技術(shù)刻蝕至800～900 nm深。周期性溝槽及脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖像如圖2所示。然后，利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)在芯片表面沉積了一定厚度的SiO2絕緣層介質(zhì)材料，用作電絕緣層，利用i線光刻技術(shù)在凸起部分光刻2 μm正方形周期性電極口的圖形，然后使用干法刻蝕掉電極口上的SiO2層，形成周期性電極窗口。與先前報(bào)道的670 nm激光器相比，本文提出的670 nm周期性電極窄條半導(dǎo)體激光器制作相對簡單，僅需使用i線光刻技術(shù)和普通的刻蝕技術(shù)，器件的穩(wěn)定性較高，適于大規(guī)模生產(chǎn)。

表1 使用的半導(dǎo)體芯片的外延結(jié)構(gòu)

圖2 周期性溝槽結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖像

Fig.2 Scanning electron microscopy image of periodic trenchs structure

周期性電極結(jié)構(gòu)形成后，進(jìn)行P面金屬電極蒸鍍，然后進(jìn)行減薄拋光，之后再進(jìn)行N面電極蒸鍍。然后，芯片被解理至1 mm腔長的器件。最后將器件P面朝上安裝在簡單的COS熱沉上，再將COS模塊與TEC散熱片集成封裝到蝶形管殼中，外接一臺TEC溫控設(shè)備，保證激光器測試時(shí)溫度的精確控制。本文所制作的器件沒有鍍膜。如果器件鍍膜，那么利用增益耦合原理，可以通過AR/HR鍍膜進(jìn)一步提高功率；同時(shí)鍍膜并不會影響增益耦合器件的單模成品率。

3 測試結(jié)果及討論

圖3為測得的連續(xù)波操作下不同溫度的功率-電流特性曲線，在測試過程中，我們使用斜角測試來防止外部光的影響。 如圖3所示，激光器的閾值電流在不同溫度下均接近50 mA，小于目前報(bào)道的670 nm單縱模激光器的閾值電流80 mA[8]。注入電流為85 mA、測試溫度18 ℃時(shí)，激光器的輸出功率最大，為2.603 mW，測得器件的斜率效率為80 mW/mA。

圖3 不同溫度下激光器的功率-電流特性

Fig.3 Power-current characteristics of laser at different temperatures

在連續(xù)注入電流條件下,我們使用了橫河AQ6370C光譜分析儀分別測試了周期性電極窄條半導(dǎo)體激光器在注入電流60 mA時(shí)不同溫度下的光譜特性，如圖4所示。在圖4中，我們看到固定注入電流60 mA、測試溫度由10 ℃升高至20 ℃的過程中，激光波長整體呈現(xiàn)紅移趨勢，紅移速率約為0.16 nm/℃。

從圖4中我們還可以看到該器件在不同溫度條件下都得到了一個(gè)穩(wěn)定的單縱模激光輸出。我們通過FP干涉儀測量得到線寬。其中圖4(d)顯示在16 ℃時(shí)，器件的邊模抑制比最大為47 dB(大于所報(bào)道的單縱模納米光柵激光器的邊模抑制比[15-16])，此時(shí)測得器件的光譜線寬為2.42 pm(小于所報(bào)道的表面高階折射率耦合光柵激光器的10 pm線寬[17])。圖4(f)顯示在20 ℃時(shí)，器件的邊模抑制比最小為33 dB，仍為單縱模輸出，此時(shí)測得器件的光譜線寬為3.46 pm。

圖4 周期性電極窄條半導(dǎo)體激光器在注入電流60 mA、不同溫度下的光譜特性。(a)T=10 ℃；(b)T=12 ℃;(c)T=14 ℃;(d)T=16 ℃;(e)T=18 ℃;(f)T=20 ℃。

Fig.4 Spectral characteristics of periodic electrode narrow-strip laser at different temperatures, when the injection current is 60 mA.(a)T=10 ℃. (b)T=12 ℃.(c)T=14 ℃. (d)T=16 ℃. (e)T=18 ℃. (f)T=20 ℃.

圖5顯示了對應(yīng)注入電流60 mA時(shí)不同溫度單縱模激光輸出的光譜線寬情況。由圖5可以看出在16 ℃時(shí)，測得器件的光譜線寬最小為2.42 pm(小于所報(bào)道的表面高階折射率耦合光柵激光器的10 pm線寬[17])。在20 ℃時(shí)，測得器件的光譜線寬最大為3.46 pm，隨著溫度的升高，熱積累增加，導(dǎo)致激光單色性減弱，線寬增大。由于FP干涉儀的精度在百M(fèi)Hz數(shù)量級，我們認(rèn)為在該范圍內(nèi)測得的線寬已經(jīng)小于測量精度，所以線寬性質(zhì)會隨著溫度升高而上下起伏。

圖5 周期性電極窄條半導(dǎo)體激光器在注入電流60 mA、不同溫度下的線寬變化。

Fig.5 Linewidth change of periodic anodes narrow-strip laser at different temperatures, when the injection current is 60 mA.

4 結(jié) 論

本文提出了一種周期電極的窄條形674 nm半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)單縱模工作。無需二次外延技術(shù)、電子束光刻技術(shù)以及納米光柵制作，僅使用i線光刻技術(shù)和普通的刻蝕技術(shù)制作的周期性溝槽增強(qiáng)了量子阱中載流子密度的對比度，從而增加了量子阱中增益的對比度，周期性電極會使器件中形成周期性的電流分布，在沒有有效折射率耦合效應(yīng)的情況下使得量子阱中形成增益耦合機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了單縱模激光輸出。當(dāng)注入電流為85 mA、測試溫度18 ℃時(shí)，激光器的輸出功率為2.603 mW。 當(dāng)注入電流為60 mA時(shí)，在不同測試溫度下，器件均保持單縱模工作。當(dāng)室溫為16 ℃時(shí)，測得器件的光譜線寬可達(dá)到2.42 pm，邊模抑制比為47 dB。 本文提出的僅使用簡單工藝的器件結(jié)構(gòu)可以有效地降低單縱模激光器的制造成本，具有廣泛的應(yīng)用前景。