高調(diào)諧效率V型腔可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器設(shè)計(jì)與研究

王 傲鄒永剛*李明宇陳 拓常 鍇王小龍宮景麗石琳琳范 杰鄭 舟馬 驍何建軍

(1.長春理工大學(xué)高功率半導(dǎo)體激光國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長春 130022；2.長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，吉林長春 130022； 3.浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310027)

1 引 言

可調(diào)諧激光器由于其能夠動態(tài)調(diào)整輸出波長的特性，在通信、探測、傳感等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[1-4]。近年來隨著光通信技術(shù)的不斷提高，對可調(diào)諧激光器的研究主要向?qū)挷ㄩL調(diào)諧范圍和高邊模抑制比(SMSR)方向發(fā)展，各種類型的邊發(fā)射可調(diào)諧激光器相繼出現(xiàn)，如分布布拉格反射器激光器[5]、Y分支可調(diào)諧激光器[6]、環(huán)形耦合腔可調(diào)諧激光器等[7]。上述可調(diào)諧激光器在波長調(diào)諧范圍、SMSR等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，但是普遍存在器件制作工藝復(fù)雜的問題，如需要二次外延生長、微納光柵制作等。器件制作有一定難度，增加了激光器制作成本，在一定程度上限制了實(shí)際應(yīng)用。何建軍等提出了一種V型結(jié)構(gòu)諧振腔的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，通過獨(dú)特設(shè)計(jì)，使兩個(gè)諧振腔之間的耦合器具備優(yōu)異的選模功能，從而實(shí)現(xiàn)SMSR 40 dB、調(diào)諧范圍30 nm以上[8]。V型腔可調(diào)諧激光器在性能上表現(xiàn)優(yōu)異的同時(shí)，避免了復(fù)雜的工藝，制作簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，顯示出較好的應(yīng)用前景[9-10]。

V型腔可調(diào)諧激光器的調(diào)諧機(jī)制有兩種，分別是利用載流子注入效應(yīng)的電致調(diào)諧和利用熱光效應(yīng)的熱致調(diào)諧。其中，熱致調(diào)諧避免了載流子注入引起的譜線加寬，因此在一些需要窄線寬的領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢[11]。一般而言，V型腔激光器熱調(diào)諧依靠電流注入諧振腔后產(chǎn)生的熱量實(shí)現(xiàn)，電熱轉(zhuǎn)化效率不高，影響了激光器的調(diào)諧效率。何建軍等通過在諧振腔調(diào)諧區(qū)上方附加薄膜電阻并以其作為熱源的方法改變產(chǎn)熱方式，將調(diào)諧效率提升了35%(從0.1 nm/mW到0.135 nm/mW)[11]，為高調(diào)諧效率器件提供了一種思路。然而，由于激光器外延層熱導(dǎo)率相近，薄膜電阻產(chǎn)生的熱量不會在調(diào)諧區(qū)滯留，而是向下直接傳遞至熱沉，致使熱量利用并不充分，限制了調(diào)諧效率的進(jìn)一步提高。

針對以上問題，本文設(shè)計(jì)了一種具有高調(diào)諧效率的V型腔激光器結(jié)構(gòu)。通過在諧振腔下方設(shè)置隔熱結(jié)構(gòu)，充分利用熱量，探索提高激光器調(diào)諧效率的可能性。首先，通過Rsoft建立的諧振腔中光場的分布，完成半波耦合器的設(shè)計(jì)，使激光器主邊模之間具有最大的閾值增益差。然后，利用COMSOL Multiphysics建立的激光器溫度分布模型，分析隔熱結(jié)構(gòu)的加入對激光器各部分溫度的影響，探索最佳的隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

2 器件設(shè)計(jì)與討論

V型腔激光器結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，主要由半波耦合器和兩個(gè)具有一定長度差的諧振腔組成，其中固定增益腔466 μm，通道選擇腔490 μm(激光器擁有20個(gè)間隔100 GHz的工作信道)。兩個(gè)長度不一的諧振腔之間通過游標(biāo)效應(yīng)擴(kuò)大激光器的調(diào)諧范圍，而半波耦合器通過對不同相位入射光的增益損耗來提高激光器的SMSR。隔熱結(jié)構(gòu)處于兩個(gè)諧振腔調(diào)諧區(qū)下方的襯體內(nèi)部。如圖1(b)所示，增益電極位于半波耦合器和兩個(gè)諧振腔的增益區(qū)之上，與接觸層直接接觸，提供增益電流。薄膜電阻位于諧振腔調(diào)諧區(qū)上方，在其與接觸層之間加入了一層二氧化硅電隔離層，使其只起到提供熱量的作用。如圖1(c)所示，隔熱結(jié)構(gòu)尺寸由參數(shù)L和W決定，L和W分別為隔熱結(jié)構(gòu)邊緣到諧振腔中心的距離。

2.1 半波耦合器

如圖2所示，將諧振腔在半波耦合器端面處鏡面展開。為簡便起見，僅使光從端口1入射，通過半波耦合器后，從3、4端口輸出。其中3、4端口出射光的相位差為激光器的耦合相位。端口4和端口1的振幅之比為自耦合系數(shù)C11，端口3和端口1的振幅之比為交叉耦合系數(shù)C12。要使激光器具備優(yōu)異的模式選擇性，在使耦合器成為耦合相位180°的半波耦合器的同時(shí)還需要特定的耦合系數(shù)，其可以通過下列公式得到[12]：

圖1 激光器示意圖Fig.1 Laser schematic

圖2 耦合器鏡面展開圖Fig.2 Schematic diagram of coupler image expansion

其中，Δω1和Δω2分別為兩個(gè)諧振腔的角頻率間隔，L1和L2為兩個(gè)諧振腔的腔長，ν為激射波長頻率。波導(dǎo)寬度固定為3 μm，耦合器形狀由WC和LC決定。改變耦合器參數(shù)，通過Rsoft建立的諧振腔光場分布，得到與之對應(yīng)的耦合系數(shù)與耦合相位，如圖3所示。其中歸一化交叉耦合系數(shù)根據(jù)上文所述對耦合器的要求，選擇LC=40 μm，WC=2.6 μm，此時(shí)耦合相位180°，歸一化交叉耦合系數(shù)0.143 1。圖4是激光器主邊模的閾值增益差與歸一化交叉耦合系數(shù)和耦合相位的關(guān)系圖?？梢钥吹剑撛O(shè)計(jì)下激光器閾值增益差達(dá)到6.07 cm-1，具有最佳的模式選擇性。

圖3 (a)歸一化交叉耦合系數(shù)；(b)耦合相位隨耦合器參數(shù)變化情況。Fig.3 Normalized cross coupling coefficient(a)and coupling phase(b)with the change of coupler paramaters

圖4 激光器主邊模的閾值增益差隨歸一化交叉耦合系數(shù)和耦合相位的變化曲線Fig.4 Threshold gain difference between the lowest threshold mode and the next lowest threshold mode as a function of the normalized cross-coupling coefficient and coupling phase

2.2 隔熱結(jié)構(gòu)

通過V型腔激光器兩個(gè)諧振腔均可實(shí)現(xiàn)波長調(diào)諧，為了避免重復(fù)敘述，本文建立激光器溫度模型時(shí)選擇通過波長選擇腔調(diào)諧。由于熱沉的熱容和體積都遠(yuǎn)大于激光器，因此仿真中認(rèn)為激光器基座底部溫度恒定在293.15 K。激光器的其他界面則認(rèn)為與外界空氣保持熱對流，熱對流滿足公式：

其中h為熱交換系數(shù)，對于激光器模型，h=20 W·m-2·K-1[11]；Text為外界溫度 293.15 K，q0為表面流入物體的熱功率面密度。基于以上的邊界條件，利用COMSOL Multiphysics建立仿真模型。表1為構(gòu)建激光器模型時(shí)所使用的參數(shù)，包括厚度D、密度ρ、熱容C、熱導(dǎo)率K、楊氏模量E、泊松比γ和熱膨脹系數(shù)α，參數(shù)來自文獻(xiàn)[13-14]和COMSOL Multiphysics材料庫。

表1 激光器模型參數(shù)Tab.1 Laser model parameters

V型腔激光器溫度分布如圖5所示。薄膜電阻產(chǎn)生的熱量傳入激光器，在不含隔熱結(jié)構(gòu)的情況下，熱量不會在調(diào)諧區(qū)聚集，而是直接向下通過襯底流入熱沉，如圖5(a)所示。在一定的加熱功率下，調(diào)諧區(qū)的溫度上升有限，對波長的調(diào)諧作用并不明顯。而加入隔熱結(jié)構(gòu)后，由圖5(b)可以看到，低熱傳導(dǎo)率的空氣阻礙了熱量的向下傳遞，熱量只能繞開隔熱區(qū)域向下傳遞，緩滯在諧振腔的調(diào)諧段，熱量得到充分利用，激光器的調(diào)諧效率因此得到提高。根據(jù)建立的激光器溫度分布模型，將不同加熱電流下激光器諧振腔的溫度變化帶入下列公式中：

建立折射率和加熱電流之間的變化關(guān)系，然后根據(jù)V型腔激光器閾值方程[15]，得到圖6中激光器工作波長隨注入薄膜電阻電流的變化曲線。其中，Δn為溫度引起的折射率變化，?n/?t為折射率對溫度的變化率，ΔT為薄膜電阻加熱引起的諧振腔溫度變化。如圖6所示，在激光器不含隔熱結(jié)構(gòu)時(shí)，需要大約59 mA的加熱電流才能完成預(yù)設(shè)的20信道波長切換；而在含隔熱結(jié)構(gòu)時(shí)，對于實(shí)現(xiàn)同樣距離的波長調(diào)諧，激光器只需要40 mA的加熱電流。調(diào)諧效率由原來的0.13 nm/mW提升到0.3 nm/mW，調(diào)諧效率提高81%。

圖5 加熱功率為0.15 W時(shí)，V型腔激光器溫度分布圖。(a)無隔熱結(jié)構(gòu)；(b)有隔熱結(jié)構(gòu)。Fig.5 Temperature distribution of V-cavity laser with heating power of 0.15 W.(a)Without thermal insulation structure.(b)With thermal insulation stucture.

圖6 激光器工作波長隨薄膜電阻加熱電流的變化關(guān)系Fig.6 Relationship between the wavelength of laser and the heating current of thin film resistor

圖7 給出了波長調(diào)諧時(shí)激光器主要工作區(qū)域(上下包層及其之間的區(qū)域)的溫度分布。由圖7(a)可以看到，當(dāng)電流注入薄膜電阻時(shí)，熱量主要聚集在調(diào)諧區(qū)，增益區(qū)的溫度基本恒定，受到的影響較小。為了更加詳細(xì)地分析隔熱結(jié)構(gòu)對諧振腔溫度分布的影響，圖7(b)給出了不同隔熱結(jié)構(gòu)尺寸和無隔熱結(jié)構(gòu)時(shí)激光器加熱腔中心沿Y軸的溫度分布。不同尺寸下溫度在各點(diǎn)的大小雖然不同，但是沿Y方向的變化趨勢卻是相同的。溫度的升高主要集中于諧振腔調(diào)諧區(qū)，在接近增益區(qū)時(shí)開始下降，進(jìn)入增益區(qū)20 μm左右后，基本降至初始溫度。因此，當(dāng)使加熱腔溫度變化進(jìn)行波長調(diào)諧時(shí)，隔熱結(jié)構(gòu)的加入在使所需的加熱功率減小的同時(shí)，不會帶來增益區(qū)的額外溫升，從而影響激光器的其他性能。

在使激光器調(diào)諧效率變化的同時(shí)，隔熱結(jié)構(gòu)尺寸的變化也會帶來激光器主要工作區(qū)域熱應(yīng)力的重新分布，這會對器件的壽命和可靠性產(chǎn)生一定的影響。因此，對隔熱結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化應(yīng)同時(shí)考慮調(diào)諧效率和激光器的可靠性。

圖7 加熱功率0.15 W時(shí)，激光器主要工作區(qū)域溫度分布(a)與加熱腔沿Y軸二維溫度分布曲線(b)。Fig.7 (a)Temperature distribution in the main working area of the laser.(b)Two dimensional temperature distribution curve of heating cavity along Y axis.The heating power is 0.15 W.

激光器調(diào)諧效率和主要工作區(qū)域最大von Mises應(yīng)力隨隔熱結(jié)構(gòu)尺寸變化如圖8所示。在圖8(a)中可以看到，調(diào)諧效率先隨著L的增大而增大，在L增大到70 μm左右時(shí)，基本保持不變。這是因?yàn)樵诟魺峤Y(jié)構(gòu)的作用下，熱量需要先水平傳遞，繞開隔熱結(jié)構(gòu)后才能往下流入熱沉，在該過程中熱量得到充分的利用。而當(dāng)L增大到一定程度后，隔熱結(jié)構(gòu)對熱量的影響效果已經(jīng)飽和，調(diào)諧效率因此逐漸保持不變。調(diào)諧區(qū)域溫度的非均勻變化導(dǎo)致了復(fù)雜的熱應(yīng)力變化情況。圖8(c)為最大von Mises應(yīng)力隨L變化情況。最大von Mises應(yīng)力開始時(shí)隨著L的增大急劇增大，在達(dá)到最大值之后有一定程度的降低，然后基本保持不變。綜合考慮器件的調(diào)諧效率和最大von Mises應(yīng)力，L的優(yōu)化取值區(qū)間為70～80 μm，此時(shí)激光器調(diào)諧效率較高且最大von Mises相對較小。如圖8(b)和8(d)所示，器件的調(diào)諧效率和最大von Mises應(yīng)力大致隨著W的增大呈線性增大。這是由于W在0～10 μm之間變化(避免W較大引起的兩個(gè)隔熱結(jié)構(gòu)重疊)，在這個(gè)較小的區(qū)間內(nèi)，隔熱結(jié)構(gòu)尺寸的變化還沒有引起調(diào)諧區(qū)域復(fù)雜的溫度變化，因此對調(diào)諧效率和最大von-Mises應(yīng)力的影響大致呈線性。一方面，由于最大von Mises應(yīng)力隨著W的增大而逐漸接近材料的屈服極限，器件容易損壞[13，16]；另一方面，進(jìn)行波長調(diào)諧時(shí)，過大的W會使非加熱腔也出現(xiàn)較明顯的溫升，從而導(dǎo)致激光器工作信道偏移現(xiàn)象。因此，W的優(yōu)化取值區(qū)間為7～9 μm。

圖8 調(diào)諧效率和最大von Mises應(yīng)力隨隔熱結(jié)構(gòu)尺寸變化情況。(a)調(diào)諧效率隨L的變化；(b)調(diào)諧效率隨M的變化；(c)最大von Mises應(yīng)力隨L的變化；(d)最大von Mises應(yīng)力隨M的變化。Fig.8 Thermal tuning efficiency and maximum von Mises stress with the change of thermal insulation structure size.(a)Change of thermal tuning efficiency with L.(b)Change of thermal tuning efficiency with W.(c)Change of maximum von Mises stress with L.(d)Change of maximum von Mises stress with W.

3 結(jié) 論

本文通過采用低熱導(dǎo)率的空氣替換諧振腔調(diào)諧區(qū)下方部分InP襯體的方法，設(shè)計(jì)了具有高調(diào)諧效率的V型腔可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)。通過Rsoft和COMSOL Multiphysics分別分析了半波耦合器和隔熱結(jié)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)對激光器諧振腔光場和溫度分布的影響。結(jié)果表明，優(yōu)化后的半波耦合器使激光器主邊模閾值增益差達(dá)到6.07 cm-1，模式選擇性達(dá)到最佳效果。隔熱結(jié)構(gòu)的加入改變了熱量在激光器中的傳遞路徑，使熱量得到充分利用。在可靠性得到保證的基礎(chǔ)上，激光器的調(diào)諧效率從原來的0.165 nm/mW提高至0.3 nm/mW，效率提升明顯。同時(shí)，激光器非調(diào)諧區(qū)域溫升有限，性能不會因?yàn)楦魺峤Y(jié)構(gòu)的加入而降低。