940 nm水平腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器設(shè)計與制備

術(shù) 玲， 海一娜， 鄒永剛， 范 杰， 王 傲

(長春理工大學(xué) 高功率半導(dǎo)體激光國家重點實驗室， 吉林 長春 130022)

1 引 言

近年來，半導(dǎo)體激光器已成為光電子領(lǐng)域的核心器件[1]，被廣泛應(yīng)用在泵浦源、光通信、激光制導(dǎo)和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域[2-4]。

水平諧振腔面發(fā)射分布反饋半導(dǎo)體激光器(Surface emitting distributed feedback，SE-DFB)利用二階光柵的衍射和反饋功能實現(xiàn)波長穩(wěn)定性和表面發(fā)射，具有高光束質(zhì)量、窄光譜線寬、波長穩(wěn)定性好等顯著優(yōu)點。二階光柵作為激光器的關(guān)鍵部分，一直是研究人員關(guān)注的焦點，主要研究手段是通過優(yōu)化光柵結(jié)構(gòu)以提升SE-DFB半導(dǎo)體激光器的輸出特性。2006年，Schubert等[5]對輸出波長100 μm的面發(fā)射太赫茲量子級聯(lián)激光器進行了分析。采用的是中心π相移二階金屬光柵，該光柵可以將反對稱近場圖樣轉(zhuǎn)變?yōu)檠厍婚L方向的對稱近場圖樣，從而形成雙瓣變單瓣出光的遠(yuǎn)場圖樣。2009年,Masions等[6]設(shè)計了波長5.65 μm的水平腔量子級聯(lián)激光器。光柵設(shè)計為非周期光柵結(jié)構(gòu)，由一個一階光柵和一個二階光柵組成，對垂直波導(dǎo)方向模式進行耦合的同時又能降低由金屬引起的損耗。激光從襯底出射，溫度300 K時閾值電流1.8 A，峰值功率超過10 mW，同時該器件有較高的邊模抑制比。2010年，葉淑娟等[7]基于耦合模理論，詳細(xì)地分析了二階光柵分布反饋半導(dǎo)體激光器出光特性。針對激射波長為1.55 μm的SE-DFB半導(dǎo)體激光器，研究發(fā)現(xiàn)光柵最佳占空比為0.43，得到外微分量子效率為47%，邊模抑制比達(dá)到35 dB。2012年， Chen等[8]制備了激射波長約940 nm的二階金屬表面光柵寬條型分布反饋半導(dǎo)體激光器，器件閾值電流為0.32 A，光譜線寬(FWHM)小于0.1 nm，斜率效率為0.6 W/A，連續(xù)工作模式下輸出功率達(dá)到718 mW。2014年，Sigler等[9]設(shè)計了4.6 μm波段的面發(fā)射掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)DFB/DBR光柵耦合量子級聯(lián)激光器，該光柵結(jié)構(gòu)抑制器件的反對稱模，同時兩端的分布布拉格反射鏡(DBR)光柵可以對光場和載流子分布起到束縛作用，避免不可控反射以及災(zāi)變性端面退化。器件在連續(xù)波工作時輸出功率可達(dá)瓦級，遠(yuǎn)場單瓣，閾值電流小于0.45 A，斜率效率大于3.4 W/A。2015年，劉穎慧等[10]設(shè)計了激射波長4.8 μm的頂部二階金屬-半導(dǎo)體光柵表面發(fā)射分布反饋量子級聯(lián)激光器。激光襯底出射輸出功率94 mW，邊模抑制比約為30 dB。由此可知光柵結(jié)構(gòu)可以提高半導(dǎo)體激光器的斜率效率[7,9]，壓窄光譜線寬選單縱模，提高邊模抑制比，并且實現(xiàn)表面發(fā)射的效果。因此，研究光柵結(jié)構(gòu)對SE-DFB半導(dǎo)體激光器光輸出特性的影響尤為重要。

本文設(shè)計了940 nm SE-DFB半導(dǎo)體激光器的二階光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)，并通過優(yōu)化光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)探索提升激光器光輸出特性的方法。采用光柵周期為278 nm、占空比為0.4、刻蝕深度280 nm的矩形光柵，獲得了發(fā)光波長為940.3 nm的水平腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，線寬0.52 nm，連續(xù)工作模式下發(fā)射功率為890 mW。

2 SE-DFB半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 SE-DFB半導(dǎo)體激光器工作原理

設(shè)計的SE-DFB半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，圖1(a)為激光器三維立體圖，圖1(b)為剖面圖。在激光器件的P-限制層上刻蝕二階光柵，光子穿過波導(dǎo)層與二階光柵發(fā)生衍射，實現(xiàn)激光表面發(fā)射[11]，利用布拉格光柵對光波進行分布反饋實現(xiàn)單縱模。

圖1 光柵置于P面的SE-DFB半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)示意圖。(a)三維立體圖；(b)剖面圖。

2.2 二階光柵數(shù)值分析

激光器實現(xiàn)光振蕩是利用光柵的衍射特性，其基本原理即為光柵的衍射原理。滿足光柵衍射條件[12]：

(1)

其中θ為入射角;φ為衍射角;m為整數(shù)0，1，2，3……，代表衍射級次;λ為入射光波長;neff為有效折射率;Λ為光柵周期。

對于二階布拉格光柵，當(dāng)波長和階數(shù)均確定后，只有滿足條件的光才會在諧振腔中形成穩(wěn)定振蕩。光柵周期滿足：

(2)

其中N=2為光柵階數(shù)，Λ為光柵周期，λB為Bragg波長，neff為光柵有效折射率。

聯(lián)立公式(1)、(2)得到的二階光柵具有與入射光垂直的一級衍射光和與其方向相反的二級衍射光，如圖2所示。一級衍射光提供光輸出耦合，影響表面發(fā)射耦合系數(shù)；二級衍射光用來進行光學(xué)反饋和模式選擇從而影響反饋耦合系數(shù)，兩個耦合系數(shù)一同影響激光器的出光特性。同時，通過增大表面發(fā)射耦合系數(shù)實現(xiàn)更大的主模和最低階次模之間的閾值增益差，從而消除模式簡并，達(dá)到選單縱模、穩(wěn)定激光波長的目的。

圖2 二階光柵的衍射特性

耦合系數(shù)是光柵結(jié)構(gòu)中最重要的表征參數(shù)，其直接影響激光器的閾值和單模特性。對于矩形薄光柵，耦合系數(shù)[13]滿足：

(3)

(4)

通過公式(3)、(4)計算得到耦合系數(shù)κ1與κ2隨占空比σ的變化如圖3所示。圖中曲線(a)、(b)分別表示反饋耦合系數(shù)κ2和表面發(fā)射耦合系數(shù)κ1。

由圖3可知，κ2在σ=0.25時取得最大值56 cm-1，而在σ=0.5時κ2=0，代表此時并沒有光反饋，并在其附近光反饋均很弱；隨著σ從0增大到0.5，κ1也從0增大到最大值9.8 cm-1。在SE-DFB半導(dǎo)體激光器中，反饋耦合和表面發(fā)射耦合必須同時存在，缺一不可。沒有反饋耦合將不能產(chǎn)生激光，沒有表面發(fā)射耦合將無法實現(xiàn)表面出光[14]。考慮到耦合系數(shù)過大會產(chǎn)生空間燒孔效應(yīng)影響激光器的激射特性；耦合系數(shù)過小，激光器的諧振腔損耗增大導(dǎo)致激光器閾值電流增大。因此，針對設(shè)計的940 nm SE-DFB半導(dǎo)體激光器，由公式(2)確定光柵周期為278 nm，通過公式(3)、(4)及圖3確定光柵占空比0.4，根據(jù)光柵刻蝕深度對光柵反射率大小及選單縱模的模擬選定刻蝕深度為280 nm。

圖3 耦合系數(shù)κ1、κ2隨占空比σ的變化。

2.3 光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

光柵的耦合系數(shù)同時還與光柵形貌有關(guān)，典型光柵形貌有矩形、梯形和三角形[15]等。

聯(lián)立公式(3)、(4)得到矩形光柵表面發(fā)射耦合系數(shù)公式：

(5)

由公式(5)定義矩形光柵耦合因子：

αrectangle=sin2(πσ).

(6)

通常在制作SE-DFB半導(dǎo)體激光器時，為了提高電流注入效率，會在垂直晶向的方向腐蝕至限制層以獲得脊形波導(dǎo)形貌，因此在進行濕法腐蝕工藝時避免不了對光柵形貌產(chǎn)生影響[16]。矩形光柵是梯形光柵在傾角θ=90°時的一個特例，當(dāng)傾斜角度由90°逐漸減小到一定程度，即相比于矩形光柵的占空比從光柵頂端的0線性地變到底端的1時為三角形光柵。如圖4所示，圖4(a)是矩形光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)圖，圖4(b)是梯形光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)圖，圖4(c)是三角形光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)圖。

圖4 光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)圖。(a)矩形光柵；(b)梯形光柵；(c)三角形光柵。

采用類比矩形光柵的計算方法依次對梯形二階光柵和三角形二階光柵做歸一化積分計算。假設(shè)梯形光柵傾斜角度為θ，頂部寬為a，底部為Λ-a，光柵深度均為h，對其x方向做積分得到任意傾斜角度θ下梯形光柵耦合因子和三角形光柵耦合因子分別為：

(8)

由公式(7) 獲得梯形光柵耦合因子與傾斜角度的關(guān)系圖，如圖5所示。從圖中看出，梯形光柵耦合因子與傾角θ成正比關(guān)系，梯形光柵耦合因子隨著傾斜角度的增大而增大。定義光柵刻蝕深度相同，計算得出傾斜角度63.6°時為三角形光柵，此時耦合因子為0.5，即為圖中左邊箭頭所指點，與公式(8)結(jié)果相符；當(dāng)傾斜角度為90°時為矩形光柵，此時耦合因子最大，結(jié)果為1，即為圖中右邊箭頭所指點。

耦合因子表示該光柵結(jié)構(gòu)表面耦合效率的大小，高的耦合系數(shù)可以降低激光器的閾值，同時會壓窄線寬。通過分析得到耦合因子大小比較為：

圖5 梯形光柵耦合因子與傾斜角度關(guān)系圖

αrectangle>αtrapezoid>αtriangle，

(9)

根據(jù)上述光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別對矩形、梯形、三角形二階光柵選單縱模的性能進行仿真研究。如圖6所示，圖6(a)、(b)、(c)分別是矩形、梯形、三角形光柵反射率圖。3種光柵均具有選單縱模作用，反射譜寬度分別為0.4，0.48，0.95 nm。由圖6可知，矩形光柵反射率最高，發(fā)光波長更接近940 nm，證明矩形光柵壓窄線寬選單縱模效果更優(yōu)。3種光柵選模情況與上述耦合因子影響激光器選模的結(jié)論一致。

圖6 光柵反射率。(a)矩形光柵；(b)梯形光柵；(c)三角形光柵。

上述討論比較了不同形貌的二階光柵的耦合因子和反射率的大小，確定了矩形二階光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在制備過程中也應(yīng)盡量保持光柵形貌的均勻性以確保激光器具有良好的輸出特性。若制備的光柵周期、占空比、刻蝕深度改變，獲得光柵側(cè)壁不完全垂直，使得光柵形貌不均勻，則會影響激光器的輸出特性，導(dǎo)致器件的線寬變寬，輸出功率和斜率效率降低等。

2.4 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)以上光柵參數(shù)設(shè)計優(yōu)化，利用SimuPics3D軟件模擬940 nm SE-DFB半導(dǎo)體激光器外延結(jié)構(gòu)，并對光柵影響激光器輸出特性的設(shè)想進行了驗證。表1為設(shè)計的940 nm SE-DFB半導(dǎo)體激光器的外延結(jié)構(gòu)。

表1 940 nm SE-DFB半導(dǎo)體激光器外延結(jié)構(gòu)

模擬得到940 nm SE-DFB半導(dǎo)體激光器的光場分布如圖7所示。圖7(a)是光場分布三維圖，圖7(b)是光譜圖，圖7(c)為激光器光場分布三維結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出，光場主要分布在有源區(qū)及波導(dǎo)層附近，有源區(qū)的光場強度最大，保證了激光器的出光質(zhì)量。外延設(shè)計的非對稱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)使光場發(fā)生偏置[17]，P面波導(dǎo)層厚度相對較小，會使光子更容易進入P限制層與該層的二階光柵發(fā)生衍射作用。

在P-限制層上刻蝕二階光柵并由脊形波導(dǎo)限制側(cè)向光場，對帶有不同光柵結(jié)構(gòu)的940 nm SE-DFB半導(dǎo)體激光器進行模擬得到光譜曲線、P-I曲線分別如圖8、9所示。圖8(a)、(b)、(c)分別對應(yīng)矩形、梯形、三角形二階光柵SE-DFB半導(dǎo)體激光器的光譜圖，由圖可知器件均在波長940 nm附近激射，邊模抑制比分別是78.7，75.6，71.5 dB。圖9為不同光柵結(jié)構(gòu)SE-DFB半導(dǎo)體激光器的P-I曲線，圖中(a)、(b)和(c)分別為矩形、梯形和三角形光柵SE-DFB半導(dǎo)體激光器的P-I曲線。當(dāng)注入電流為500 mA時，器件表面發(fā)射功率分別為643，436，281 mW，斜率效率分別為1.28,0.87，0.57 W/A。相比之下,矩形光柵SE-DFB半導(dǎo)體激光器光輸出特性最佳，與上述光柵耦合因子結(jié)論一致。因此，可以通過設(shè)計優(yōu)化光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)來改善940 nm SE-DFB半導(dǎo)體激光器的光輸出特性。

圖7 光場分布圖。(a)光場分布三維圖；(b)光譜圖；(c)激光器光場分布三維結(jié)構(gòu)圖。

圖9 不同光柵結(jié)構(gòu)940 nm SE-DFB半導(dǎo)體激光器P-I曲線

3 器件制備

基于對光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)和外延結(jié)構(gòu)的設(shè)計進行了940 nm SE-DFB半導(dǎo)體激光器件的制備，制備流程如下：

(1)外延片生長：使用金屬有機化合物氣相沉積(MOCVD)設(shè)備在GaAs襯底上依次生長表1中的外延結(jié)構(gòu)。

(2)二階光柵制備：利用電子束曝光技術(shù)和感應(yīng)耦合等離子體(ICP)刻蝕技術(shù)制備二階光柵。所得光柵SEM圖形如圖10所示，光柵周期為279.8 nm，占空比0.4，刻蝕深度為283.8 nm。

(3)脊形波導(dǎo)制備：采用紫外曝光機和濕法腐蝕的方法制備脊形波導(dǎo)。

(4)鍍制SiO2絕緣層：使用等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)設(shè)備鍍制SiO2絕緣層，厚度為268.8 nm。

(5)鍍制電極：利用磁控濺射技術(shù)濺射電極材料Ti/Pt/Au。

(6)減薄拋光：使用自動研磨機和拋光機將外延片結(jié)構(gòu)降至130 μm左右。

(7)出光口制備：利用紫外曝光機雙面對準(zhǔn)工藝和Lift-off制備N面出光口，如圖11(a)所示，出光口大小為600 μm×100 μm。其中出光口增透膜(透射率96%)由電子束鍍膜機(萊寶)制備，N面電極(Ni/AuGe/Ni/Au)由磁控濺射技術(shù)制備。

(8)解理封裝：合金后，利用劃片解理機解理出SE-DFB半導(dǎo)體激光器單管，使用C-mount封裝形式進行封裝，如圖11(b)所示。

圖10 (a)光柵表面形貌；(b)光柵截面。

圖11 (a)N面出光口；(b)SE-DFB半導(dǎo)體激光器。

4 器件測試與分析

按照器件制備流程制備出腔長為1 mm的SE-DFB半導(dǎo)體激光器，并進行初步測試，結(jié)果如圖12所示。圖12(a)中曲線(1)、(2)分別為SE-DFB半導(dǎo)體激光器的I-V曲線和P-I曲線，圖12(b)為SE-DFB半導(dǎo)體激光器的光譜。

由圖12可知，器件在連續(xù)工作條件下表面發(fā)射功率為890 mW，閾值電流為900 mA，斜率效率為0.44 W/A，發(fā)光波長為940.3 nm，光譜線寬為0.52 nm。結(jié)果表明，根據(jù)所設(shè)計的光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)獲得的器件發(fā)光波長較準(zhǔn)確，波長鎖定在940 nm左右。但器件實際輸出功率相對較低，分析原因如下：(1)器件阻值較大影響激光器的輸出功率；(2)未鍍腔面膜，在一定程度上影響了功率的提升；(3)光柵表面形貌不夠均勻，在制備過程中不能夠完全保證光柵的垂直性，后續(xù)的工藝操作也會對光柵形貌產(chǎn)生一定的影響。

圖12 SE-DFB半導(dǎo)體激光器輸出特性。(a)P-I-V曲線；(b)光譜。

5 結(jié) 論

本文研究了不同形貌光柵(矩形、梯形、三角形)的耦合因子，通過數(shù)值計算討論了光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)(周期、占空比、刻蝕深度等)對器件出光特性(線寬、功率及斜率效率等)的影響，并制備了周期279.8 nm、占空比0.4、刻蝕深度283.8 nm的矩形光柵。根據(jù)所設(shè)計外延及SE-DFB半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，結(jié)合二階光柵、脊形波導(dǎo)、電極及出光口、解理封裝等器件工藝，制備出發(fā)光波長為940.3 nm的水平諧振腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，線寬為0.52 nm，連續(xù)工作模式下發(fā)射功率為890 mW，閾值電流為900 mA，斜率效率為0.44 W/A。