基于周期性電極的窄條單縱模674 nm半導體激光器

單肖寧， 張 晶， 韓金樑， 張萬里， 單肖楠*

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

1 引 言

單縱模半導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檢測[2]、機器人視覺應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]、空間激光通訊等領域[5]。

相比于808 nm和980 nm等常見波長單縱模半導體激光器，67x nm單縱模半導體激光器的相關報道甚少。主要是由于67x nm半導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穩定性較差，比如會出現腔面燒毀等現象[6]。對于增益波長為67x nm的外延材料，其有源區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，此時容易產生泄露電流。這會降低半導體激光器的轉換效率以及內量子效率，同時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單縱模半導體激光器的制作難度。目前，67x nm激光器的主要應用領域是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和二次外延技術制作了一種基于40階表面光柵的670 nm單縱模半導體激光器[8]，實現了邊模抑制比高達50 dB的單縱模激射。他們在器件中使用了電子束曝光技術，該技術精度高，但是花費時間較長，且器件制作工藝復雜，成本高昂，這在很大程度上限制了670 nm單縱模半導體激光器的大規模生產及應用。因此如何對器件結構進行精心設計、通過簡單工藝過程來獲得67x nm單縱模半導體激光器是一項重大挑戰。

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半導體激光器來實現單縱模工作。僅使用i線光刻技術和普通的刻蝕技術制作的周期性溝槽增強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的情況下使得量子阱中形成增益耦合機制，實現了單縱模激光的輸出。當注入電流為85 mA、測試溫度18 ℃時，激光器的輸出功率為2.603 mW。 當注入電流為60 mA時，在不同測試溫度下，器件均保持單縱模工作。當室溫為16 ℃時，測得器件的光譜線寬可達到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構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，具有廣泛的應用前景。

2 激光器結構及制備

圖1是周期性電極窄條半導體激光器的示意圖。如圖所示，它是在脊型法布里-珀羅激光器結構的基礎上制作，在脊型波導上刻蝕周期性的表面絕緣溝槽結構，溝槽部分蒸鍍了二氧化硅絕緣薄膜進而形成絕緣層(如圖1(c)所示)，但凸起部分(即未刻蝕部分)則進行正常的電極口制備形成歐姆接觸，進而形成周期性電極結構(如圖1(c)所示)，實現了周期性的電注入。刻蝕溝槽增強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的情況下使得量子阱中形成增益耦合機制，進而對激光器的光譜進行調控，實現單縱模激光輸出。

圖1 (a)周期性電極窄條半導體激光器的結構圖;(b)周期性電極窄條半導體激光器的部分結構及各層材料示意圖;(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，本文設計的器件的折射率耦合系數必須小到可以直接忽略的程度。耦合系數k的理論計算公式如下[9]：

(1)

其中，L是激光器的腔長，本文設計為1 mm，Λ是增益耦合光柵的周期，Δn是波導中折射率的變化，neff是光柵區域的有效折射率。

為了使折射率耦合系數足夠小，根據公式(1)可知我們需要設計足夠大的光柵周期Λ及足夠小的折射率變化Δn。本文中腔長L設計為1 mm；光柵周期Λ設計為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]，我們所設計的光柵周期是足夠大的)；我們使用商業軟件COMSOL 計算了芯片未蝕刻部分的有效折射率為3.357 8，刻蝕溝槽區域的有效折射率為3.357 6，折射率的變化Δn為二者之差0.000 2，也是足夠小的。根據公式(1)以及上述數據我們計算出周期性電極窄條半導體激光器的耦合系數k只有0.007。目前所報道的高階布拉格光柵激光器的耦合系數k≈0.3，折射率耦合分布反饋激光器的耦合系數k>1[12-14]，相比上述所報道的耦合系數，我們設計的結構的折射率耦合系數足夠小，對于所設計的周期性電極窄條半導體激光器可以確保其在增益耦合機制下工作，因為它的折射率耦合效應已經小到可以忽略不計的程度，進而保證單縱模激光輸出。

本文制作的激光器的芯片具體結構如表1所示，由金屬有機氣相沉積外延技術生長而成。器件采用在674 nm處發射的AlGaInP/GaInP量子阱作為增益材料。增益耦合光柵結構的周期為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構，然后使用電感耦合等離子體技術刻蝕溝槽的深度至600～700 nm。周期性溝槽結構形成后，使用i線光刻6 μm寬的脊型波導，并在溝槽兩側使用濕法刻蝕技術刻蝕至800～900 nm深。周期性溝槽及脊型波導結構的掃描電鏡圖像如圖2所示。然后，利用等離子體增強化學氣相沉積技術在芯片表面沉積了一定厚度的SiO2絕緣層介質材料，用作電絕緣層，利用i線光刻技術在凸起部分光刻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體激光器制作相對簡單，僅需使用i線光刻技術和普通的刻蝕技術，器件的穩定性較高，適于大規模生產。

表1 使用的半導體芯片的外延結構

圖2 周期性溝槽結構的掃描電鏡圖像

Fig.2 Scanning electron microscopy image of periodic trenchs structure

周期性電極結構形成后，進行P面金屬電極蒸鍍，然后進行減薄拋光，之后再進行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溫控設備，保證激光器測試時溫度的精確控制。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鍍膜進一步提高功率；同時鍍膜并不會影響增益耦合器件的單模成品率。

3 測試結果及討論

圖3為測得的連續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，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體激光器在注入電流60 mA時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穩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，器件的邊模抑制比最大為47 dB(大于所報道的單縱模納米光柵激光器的邊模抑制比[15-16])，此時測得器件的光譜線寬為2.42 pm(小于所報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，器件的邊模抑制比最小為33 dB，仍為單縱模輸出，此時測得器件的光譜線寬為3.46 pm。

圖4 周期性電極窄條半導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顯示了對應注入電流60 mA時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，測得器件的光譜線寬最小為2.42 pm(小于所報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，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，導致激光單色性減弱，線寬增大。由于FP干涉儀的精度在百MHz數量級，我們認為在該范圍內測得的線寬已經小于測量精度，所以線寬性質會隨著溫度升高而上下起伏。

圖5 周期性電極窄條半導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 論

本文提出了一種周期電極的窄條形674 nm半導體激光器結構來實現單縱模工作。無需二次外延技術、電子束光刻技術以及納米光柵制作，僅使用i線光刻技術和普通的刻蝕技術制作的周期性溝槽增強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的情況下使得量子阱中形成增益耦合機制，實現了單縱模激光輸出。當注入電流為85 mA、測試溫度18 ℃時，激光器的輸出功率為2.603 mW。 當注入電流為60 mA時，在不同測試溫度下，器件均保持單縱模工作。當室溫為16 ℃時，測得器件的光譜線寬可達到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構可以有效地降低單縱模激光器的制造成本，具有廣泛的應用前景。