布拉格反射波導(dǎo)雙光束邊發(fā)射半導(dǎo)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(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門361021；2.北京工業(yè)大學(xué) 電子信息與控制工程學(xué)院，北京100124；3.牡丹電子集團(tuán)有限公司，北京100191；4.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春130000）

近年來，布拉格反射波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器廣泛應(yīng)用于各種各樣的器件中，包括高速打印機(jī)、高靈敏度的激光吸收光譜儀、先進(jìn)的激光測速儀以及溝深監(jiān)控系統(tǒng)等［1－6］.這種半導(dǎo)體激光器具有較高的增益系數(shù)、較強(qiáng)的模式識別以及較大的模式面積等優(yōu)點［7－9］.產(chǎn)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(fā)出的光束［10］；二是利用光柵、極化棱鏡、非退化的光學(xué)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(fù)雜的光學(xué)對準(zhǔn)和體積的限制，應(yīng)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(chǎn)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(chǎn)生的熱效應(yīng)使得激光器的輸出性能嚴(yán)重不穩(wěn)定［12］.實現(xiàn)雙光斑輸出最理想的方法是從器件的結(jié)構(gòu)出發(fā).近年來，為了得到單個穩(wěn)定的具有較大光學(xué)模式尺寸的激光光束，人們提出了單個布拉格反射波導(dǎo)和2個布拉格反射波導(dǎo)的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器［13－15］，這類激光器可以在垂直方向上分別實現(xiàn)極窄的單個光斑和非常發(fā)散的多個光斑.本文通過設(shè)計多量子阱有源區(qū)兩側(cè)的布拉格反射波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)2個極窄的雙光斑輸出.

1 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計

布拉格反射波導(dǎo)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，如圖1所示.量子阱有源區(qū)的兩側(cè)具有非1／4波長布拉格反射波導(dǎo)結(jié)構(gòu)（BRW），每一側(cè)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(qū)的材料為2個In0.2Ga0.8As／GaAs量子阱組成，布拉格反射波導(dǎo)的界面有20nm的組分漸變層，P＋的重?fù)诫s歐姆接觸層到有源區(qū)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(qū)和上下布拉格反射波導(dǎo)之間有一層750nm的Al0.3Ga0.7As層.文中所設(shè)計的器件各層結(jié)構(gòu)的折射率分布，如圖2所示.

圖1 布拉格反射波導(dǎo)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器Fig.1 Edge－emitting semiconductor laser with Bragg reflection waveguide

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

邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場發(fā)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(shù)或者余弦函數(shù)來近似表示［12］.對于文中所設(shè)計的器件結(jié)構(gòu)，在端面附近的垂直電場分布可近似表示為余弦函數(shù)與高斯函數(shù)的乘積，即

標(biāo)準(zhǔn)的瑞利－索末菲（Rayleigh－Sommerfeld）衍射積分［12］為

由式（2）可得到遠(yuǎn)場光束強(qiáng)度，即

式（3）中：θ為遠(yuǎn)場發(fā)散角.由式（3）可知：布拉格反射波導(dǎo)邊發(fā)射激光器的遠(yuǎn)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(dǎo)的周期厚度來控制；對于文中所設(shè)計的器件結(jié)構(gòu)，Λ＝0.89μm，帶入可計算出在Λ＝±33.4°處出現(xiàn)2個高斯光斑.

由以上分析可知：布拉格反射波導(dǎo)結(jié)構(gòu)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(yuǎn)場發(fā)散角主要是由光學(xué)波導(dǎo)厚度來決定的.因此，可以通過設(shè)計布拉格反射波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來精確控制布拉格反射波導(dǎo)邊發(fā)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(jī)物化學(xué)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(qū)、p－DBR和p＋重?fù)诫s的歐姆接觸層形成布拉格反射波導(dǎo)邊發(fā)射激光器的外延結(jié)構(gòu).外延生長完成后，利用標(biāo)準(zhǔn)的光刻工藝和濕法腐蝕工藝形成條寬為100μm的脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，濕法腐蝕的深度約為280nm.然后，采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法（PECVD）淀積200nm的SiO2作為電絕緣層；利用標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝制作電極窗口，濺射正面電極Ti／Au，厚度為50nm／300nm；經(jīng)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(jìn)行測試.

2.2 擬合內(nèi)量子效率和內(nèi)損耗

F－P腔的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的外微分量子效率和內(nèi)量子效率及內(nèi)損耗的關(guān)系［16］為

式（4）中：ηd為外微分量子效率；ηi為內(nèi)量子效率；αi為內(nèi)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(shù)后可得

圖3 內(nèi)量子效率和內(nèi)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(shù)呈線性關(guān)系.因此，可通過測試不同的腔長對應(yīng)的外微分量子效率，利用Origin軟件經(jīng)過線性擬合算出內(nèi)量子效率和內(nèi)損耗.實驗分別進(jìn)行了800，1 200，1 500μm等3種腔長的器件測試，其結(jié)果如圖3所示.由擬合結(jié)果可知：內(nèi)量子效率ηi為47.64%；內(nèi)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(jié)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(dǎo)體激光器測試儀進(jìn)行測試.施加1A的連續(xù)電流，測得器件的P－I－V曲線和垂直發(fā)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(xiàn)2個光斑，其位置與理論推導(dǎo)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(dá)到400mA，這是由器件的結(jié)構(gòu)所決定的.器件外延結(jié)構(gòu)在多量子阱有源區(qū)兩側(cè)具有對稱的非1／4波長的DBR結(jié)構(gòu)，注入的電子和空穴復(fù)合后發(fā)射出的光子除了在水平方向上的諧振腔內(nèi)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(fā)射半導(dǎo)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(jìn)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(jié)果，如圖5所示.鍍膜后對器件施加3A的連續(xù)電流，可得到1.40W的輸出功率.在脈沖條件下，器件在4A的驅(qū)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(dāng)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(dǎo)體激光器的輸出特性與溫度密切相關(guān).隨著溫度的升高，激光器的閾值電流增加，輸出功率降低，發(fā)射波長漂移，造成激光器模式不穩(wěn)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(nèi)進(jìn)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(yīng)越來越顯著，使得器件中的損耗系數(shù)增加，漏電流增加，內(nèi)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(fù)合的電子數(shù)越來越多；從器件外部來看，器件注入的電功率轉(zhuǎn)化為焦耳熱的比例越來越大，最終導(dǎo)致輸出功率逐漸減小.

實驗中進(jìn)一步研究了閾值電流與溫度的變化關(guān)系.閾值電流與溫度的關(guān)系滿足指數(shù)關(guān)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(dǎo)體激光器溫度穩(wěn)定性的重要參數(shù)，稱為特征溫度，它與激光器的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)，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(guān)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(yuǎn)場發(fā)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(shù)得lnIth（T）＝lnIth（Tr）＋（T－Tr）／T0.做lnIth（T）～T的關(guān)系曲線.由此可知：該曲線為1條直線，且斜率為1／T0，擬合數(shù)據(jù)后得到在283～343K溫度范圍內(nèi)對應(yīng)的特征溫度為91K.當(dāng)溫度升高時，有源區(qū)半導(dǎo)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(jié)束語

設(shè)計1種新型的具有波長布拉格反射波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的邊發(fā)射半導(dǎo)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(nèi)量子效率為47.64%，內(nèi)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(xù)注入3A電流時，可實現(xiàn)1.40W的功率輸出；脈沖注入4A電流時，可實現(xiàn)2.26W的功率輸出.此外，器件在283～343K的溫度范圍內(nèi)對應(yīng)的特征溫度可達(dá)到91K.

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