增益鉗制式850 nm波長(zhǎng)超輻射發(fā)光二極管設(shè)計(jì)研究

祝子翔， 張晶， 孫春明， 喬忠良， 高欣， 薄報(bào)學(xué)， 李輝， 王憲濤， 魏志鵬， 馬曉輝

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 高功率半導(dǎo)體激光國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長(zhǎng)春 130022)

0 引言

超輻射發(fā)光二極管(SLD)是一種發(fā)光特性介于半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)之間的半導(dǎo)體光源，它的出現(xiàn)和發(fā)展完全受到光纖陀螺(IFOG)的驅(qū)動(dòng)，并成為一種重要的光源。SLD的結(jié)構(gòu)是在激光器的基礎(chǔ)上用各種方法來(lái)抑制法布里- 珀羅(F-P)光振蕩[1-2]。SLD發(fā)光光譜寬度比LD更寬、輸出功率比LED高，是一種常用的寬光譜光源，廣泛應(yīng)用于IFOG、光學(xué)相干斷層掃描(OCT)、光時(shí)域反射儀(OTDR)、局域網(wǎng)(LAN)、光波復(fù)用(WDM)系統(tǒng)、光處理技術(shù)等領(lǐng)域。

隨著SLD的發(fā)展，對(duì)寬光譜光源性能的要求不斷提高。在光譜寬度方面，Kondo等[3]采用多量子阱結(jié)構(gòu)的有源區(qū)，光譜寬度最大可達(dá)170 nm；在波長(zhǎng)方面，短波長(zhǎng)有藍(lán)紫色的SLD[4]，長(zhǎng)波長(zhǎng)有近紅外的SLD[5]；在工藝方面，紅外激光高溫退火方法使器件的半峰寬(FWHM)增加33%[6]；在光斑質(zhì)量方面，韓國(guó)Su等[7]采用深掩埋波導(dǎo)配合模式轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)得到近圓形光斑輸出；在壽命方面，俄羅斯的SLD最大工作壽命超過(guò)30 000 h[8]；在應(yīng)用方面，美國(guó)的SLD應(yīng)用于光局域網(wǎng)的集成模塊[9]；在國(guó)內(nèi)，2006年李輝等[10]采用非均勻阱寬多量子阱材料制作出高功率、寬光譜、低發(fā)散角850 nm短波長(zhǎng)的SLD，在120 mA時(shí)器件FWHM可達(dá)到26 nm，室溫下連續(xù)輸出功率達(dá)到6 mW；2016年王飛飛等[11]制作出大功率短波長(zhǎng)InAlGaAs/AlGaAs量子點(diǎn)的SLD，器件峰值為29 mW. 為了滿足各領(lǐng)域需求，不斷提升大功率、寬光譜、抗輻射已成為SLD發(fā)展的主流趨勢(shì)[12]。

本文在高功率850 nm SLD研究[13]的基礎(chǔ)上，提出了采用納米壓印技術(shù)在器件脊形臺(tái)面上制作了多波長(zhǎng)表面分布式反饋(DFB)鉗制系統(tǒng)納米柱，實(shí)現(xiàn)了器件中心波長(zhǎng)F-P增益鉗制。與激光器[14]不同的是，超輻射器件脊形臺(tái)面上制作的多波長(zhǎng)DFB系統(tǒng)可以用來(lái)抑制850 nm的F-P受激發(fā)射，達(dá)到拓展光譜寬度和抑制激射作用。

1 材料結(jié)構(gòu)及外延材料的生長(zhǎng)

本文把放大了的自發(fā)發(fā)射稱為超輻射，超輻射是一種強(qiáng)激發(fā)狀態(tài)下定向的輻射現(xiàn)象。當(dāng)激發(fā)密度足夠高時(shí)，自發(fā)發(fā)射的光子受激放大而產(chǎn)生雪崩式倍增，發(fā)光強(qiáng)度迅速增加，伴隨譜線變窄，其主要特點(diǎn)是由初始的自發(fā)發(fā)射占主導(dǎo)，很快演變成受激發(fā)射占主導(dǎo)，理想的超輻射器件是一種相位不一致的非相干光源或稱短相干光源[15]。

SLD的光譜特性主要由該器件的單程光放大特性決定。它不像激光器具有選模作用使光場(chǎng)的腔體內(nèi)形成駐波，使非振蕩的光波受到抑制，產(chǎn)生寬光譜特征。SLD在較高電流下工作，光在腔體內(nèi)傳播經(jīng)歷了較大的光增益過(guò)程，這種增益過(guò)程對(duì)不同波長(zhǎng)的光子是不同的，發(fā)射光譜中心波長(zhǎng)經(jīng)歷的增益最大，遠(yuǎn)離中心波長(zhǎng)的光子呈現(xiàn)拋物線型遞減。因此，為了實(shí)現(xiàn)高功率下的發(fā)光，有效地抑制F-P振蕩是關(guān)鍵的問(wèn)題。

根據(jù)有限深勢(shì)阱理論[16]，量子阱的導(dǎo)帶與價(jià)帶子能級(jí)之間的躍遷能量隨阱寬度變窄而增加。

采用單量子阱時(shí)，容易得到低的閾值電流，但高溫特性較差。單量子阱材料提供了較大的增益，但在增加譜寬方面是不利的，即利用單量子阱材料高增益特性而得到高功率輸出，但也使譜寬特性變差。有源層采用GaAs/Al(0.2)GaAs，同時(shí)為了拓展光譜寬度，采用3種不同寬度的量子阱結(jié)構(gòu)，在工作溫度下，經(jīng)過(guò)激光器仿真軟件Crosslight-lastip模擬仿真阱寬分別為8 nm、11 nm和14 nm. 如圖1所示阱寬為8 nm時(shí)，最大增益波長(zhǎng)為838 nm，最大材料增益為2 429 cm-1.

如圖2所示，阱寬為11 nm時(shí)，最大增益波長(zhǎng)為849 nm，最大增益為2 137 cm-1.

如圖3所示阱寬為14 nm時(shí)，最大增益波長(zhǎng)在859 nm 最大增益為1 709 cm-1.

量子阱寬為14 nm時(shí)，在材料增益曲線圖中出現(xiàn)兩個(gè)波峰，但不同曲線代表載流子濃度不同，載流子密集處在859 nm處，所以材料最大增益以859 nm的出射光為主。圖1、圖2、圖3最大增益的波長(zhǎng)分別為838 nm、849 nm、859 nm，且滿足器件超輻射波長(zhǎng)的要求。

壘層采用50 nm，超輻射發(fā)光器件在大電流注入下工作，如果壘層增加，則由于極化效應(yīng)，電子跳出阱層所需要克服的勢(shì)壘也明顯增加，從而抑制了載流子泄露，所以選用稍厚的壘層。

波導(dǎo)層采用非對(duì)稱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是基于P型材料的光吸收比N型材料強(qiáng)的特性，適當(dāng)減小P限制層厚度，將光場(chǎng)從對(duì)稱分布變?yōu)榉菍?duì)稱分布[17]，使光場(chǎng)適當(dāng)?shù)仄騈型波導(dǎo)層和限制層，以減少光場(chǎng)模式分布與高摻雜的P限制層的交疊比例，在不降低摻雜濃度的條件下減小光吸收損耗。經(jīng)過(guò)Crosslight-lastip軟件仿真，采用1.5 μm限制層和0.5 μm波導(dǎo)層對(duì)稱結(jié)構(gòu)的輸出功率要小于采用1.3 μm/1.5 μm(P/N)限制層和0.1 μm/0.5 μm(P/N)波導(dǎo)層非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

隨著電流的增大，薄P限制層結(jié)構(gòu)有利于增強(qiáng)表面DFB光反饋能力，適合超輻射DFB器件結(jié)構(gòu)。圖5為非均勻阱寬、非對(duì)稱波導(dǎo)層、低垂直發(fā)散角材料能帶示意圖。

外延片的生長(zhǎng)過(guò)程如下：外延片在GaAs襯底片上進(jìn)行生長(zhǎng)；生長(zhǎng)1.0 μm GaAs的N緩沖層；之后生長(zhǎng)1.5 μm Al(0.5)GaAs的N限制層；再生長(zhǎng)材料0.5 μm Al(x)GaAs(x為0.5→0.2)漸變N波導(dǎo)層；之后生長(zhǎng)三量子阱結(jié)構(gòu)依次為14 nm GaAs量子阱，50 nm Al(0.2)GaAs壘層，11 nm GaAs量子阱，50 nm Al(0.2)GaAs壘層，8 nm GaAs量子阱；再生長(zhǎng)0.1 μm Al(x)GaAs(x為0.2→0.5)漸變P波導(dǎo)層；之后生長(zhǎng)1.3 μm Al(0.5)GaAs的P限制層；最后生長(zhǎng)100 nm GaAs帽子層。

外延片生長(zhǎng)的三量子阱結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)最大增益的波長(zhǎng)838 nm、849 nm、859 nm是增益鉗制式SLD結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。為了拓寬器件的光譜寬度，下面進(jìn)行了增益波長(zhǎng)為835 nm、845 nm、855 nm、865 nm的布拉格光柵工藝制作。

2 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、納米壓印及工藝制作

采用平面波導(dǎo)吸收區(qū)附加雙側(cè)腔面蒸鍍抗反射膜方法制作超輻射發(fā)光管。泵浦區(qū)條長(zhǎng)為350 μm，條寬為5.0 μm，條高為1.0 μm，吸收區(qū)為250 μm. 質(zhì)子束轟擊制作吸收區(qū)，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

在器件脊形臺(tái)面上采用納米壓印技術(shù)制作表面多波長(zhǎng)DFB光反饋系統(tǒng)納米柱。在勻膠前需要在外延片上蒸鍍一層10 nm的鎳，因?yàn)榧{米壓印所用的熱固化樹脂膜非常薄，直接腐蝕很容易脫落，而鎳起到了保護(hù)和增加外延片與熱固化樹脂膜浸潤(rùn)度的作用。在明確刻蝕速率后，需要注意以下事項(xiàng)：1)納米柱底部殘膠必須去除干凈；2)采用低速間斷式刻蝕技術(shù)；3)嚴(yán)格控制刻蝕溫度，保證刻蝕時(shí)干法刻蝕腔體溫度變化不超過(guò)2 ℃；4)嚴(yán)格固定每次刻蝕外延片所在腔室位置；5)每次所刻蝕外延片尺寸不能過(guò)大; 6)利用干法刻蝕中的清洗技術(shù)保證刻蝕面光滑。另外，外延片上保護(hù)膜材料和厚度的選擇、熱固化樹脂膜厚的選擇等都很重要，以確保最后剝離工藝中SiO2膜的順利去除。

采用納米壓印技術(shù)在器件脊形臺(tái)面上制作多波長(zhǎng)表面DFB光反饋系統(tǒng)納米柱，根據(jù)布拉格光柵條件計(jì)算出不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)不同階納米柱周期長(zhǎng)度，光柵的周期滿足如下布拉格公式：

(1)

式中：Λ為光柵的周期；λ為入射波長(zhǎng)，ne為有效折射率；m為衍射階次。

根據(jù)(1)式，求出增益波長(zhǎng)為835 nm、845 nm、855 nm、865 nm的布拉格光柵周期，具體如表1所示。由表1可知，1階光柵尺寸過(guò)小不宜制作，階次過(guò)大增益效果不好，所以納米壓印采用2級(jí)布拉格光柵周期長(zhǎng)度。

P面濺射Ti/Pt/Au，N面減薄再濺射AuGe/Ni/Au，并在400 ℃的N2環(huán)境下保護(hù)合金60 s. 在高真空中將SLD芯片解理成腔長(zhǎng)600 μm的bar條，然后馬上在真空室內(nèi)將腔面鍍上鈍化介質(zhì)薄膜，最后在雙側(cè)端面上蒸鍍上腔面增透膜，透過(guò)率99.0%以上，最后解理單個(gè)管芯封裝進(jìn)行綜合測(cè)試。

表1 不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)不同階納米柱周期長(zhǎng)度(ne=3.33)

3 分析與討論

通過(guò)對(duì)納米壓印條件的進(jìn)一步優(yōu)化制備得到了2級(jí)布拉格納米柱。納米柱的原子力顯微鏡(AFM)照片如圖7所示。

圖7中納米柱符合850 nm 多波長(zhǎng)DFB的SLD對(duì)2級(jí)布拉格光柵周期的要求。另外，從圖7可以看出，納米柱均勻連續(xù)，具有非常好的表面形貌。

納米壓印技術(shù)與電子束光刻技術(shù)相比，成本低，易加工，易于制作大面積圖形；納米壓印技術(shù)與全息光刻技術(shù)[18-20]相比，易于一次制作更復(fù)雜、多周期的光柵。

在器件制成后，用功率計(jì)和光譜儀對(duì)研制的850 nm SLD進(jìn)行參數(shù)測(cè)試，850 nm超輻射發(fā)光管特性曲線如圖8所示。

從圖8可知，SLD具有很好的軟閾值特性，軟閾值為95 mA左右，在軟閾值以下以自發(fā)輻射為主，在軟閾值以上以超輻射為主。增益介質(zhì)中的載流子受到自發(fā)發(fā)射光子的激發(fā)，受激發(fā)射光子變多，光譜變窄，變?yōu)榉糯蟮淖园l(fā)發(fā)射為主。在激勵(lì)電源為160 mA，室溫下連續(xù)輸出功率為14.63 mW，斜率效率為0.29 W/A.

圖9為160 mA電流下的光譜圖。由圖9可見，SLD中心波長(zhǎng)為848.7 nm，F(xiàn)WHM為22 nm，器件在大功率輸出狀態(tài)下仍能保持20 nm以上的FWHM. 器件只采用兩種傳統(tǒng)抑制激射手段，在大電流注入下很難實(shí)現(xiàn)激射的有效抑制，可見本器件采用的增益鉗制系統(tǒng)有效地抑制了器件的激射。

4 結(jié)論

增益鉗制式850 nm SLD器件在結(jié)構(gòu)上創(chuàng)新地提出了一種采用納米壓印制作的新結(jié)構(gòu)，利用增益鉗制系統(tǒng)有效地抑制了在SLD上的激射，同時(shí)在外延結(jié)構(gòu)上采用非均勻阱寬多量子阱和非對(duì)稱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在激勵(lì)電源電流為160 mA條件下，SLD的中心波長(zhǎng)為848.7 nm，F(xiàn)WHM為22 nm，室溫下連續(xù)輸出功率為14.63 mW.

本器件未來(lái)將在以下方面予以改進(jìn)：進(jìn)一步增大器件的輸出功率，增大FWHM；進(jìn)一步降低器件的閾值電流密度；增加器件的可靠性和穩(wěn)定性，延長(zhǎng)器件壽命。

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