間距可調的雙模正方形微腔激光器（特邀）

王婷，吳冀亮，馬春光，黃勇濤，楊躍德，肖金龍，黃永箴

（1 中國科學院半導體研究所集成光電子學國家重點實驗室，北京100083）

（2 中國科學院大學材料科學與光電工程中心，北京100049）

0 引言

雙波長激光器廣泛應用于干涉測量［1］、光通信［2-4］、微波及太赫茲輻射［5，6］、光頻梳［7，8］等諸多領域。以雙波長激光器代替兩個獨立的激光器作為光源，用外差法產生微波和太赫茲信號，以及級聯(lián)四波混頻產生光頻梳，具有系統(tǒng)簡單穩(wěn)定、頻率高、光波傳輸過程無電磁干擾等優(yōu)點。人們已提出了多種實現雙波長激光器的方案。光纖激光器可以輸出具有窄線寬的雙波長激光［9-11］，但是所用光纖長度較長，存在系統(tǒng)復雜以及不穩(wěn)定的問題。半導體激光器可以通過直流驅動直接輸出雙波長激光，具有結構緊湊、功耗低和易于集成等優(yōu)勢。具有單腔雙區(qū)域結構的分布布拉格反射（Distributed Bragg Reflector，DBR）或分布反饋（Distributed Feedback，DFB）激光器是一種最直接的實現雙模激射的方案。ROH S D 等［12］制備了包含了一段增益區(qū)和兩個分立的DBR 光柵的InGaAs-GaAs 激光器，實現了間隔從0.3 nm 到6.9 nm 的可調諧雙波長激射。KIM N等［13］制備了雙區(qū)DFB 激光器，通過注入電流獨立調諧兩個模式，實現了0.17 THz 到0.49 THz 的連續(xù)可調拍頻信號。HUANG Jin 等［14］成功制備了Y 波導集成并聯(lián)的兩個DFB 激光器，可避免單腔雙區(qū)方案中雙模的相互影響，實現了間隔為0.218 nm 的雙波長輸出。UEMUKAI M 等［15］則進一步利用Y 波導集成的DBR 雙波長激光器實現了1.0 nm 到3.7 nm 的間隔可調諧雙波長輸出。此外，BROX O 等［16］提出并制作了雙波長激射的三段式外腔放大反饋激光器，產生了12 GHz 到45 GHz 的拍頻信號。然而，雙波長的DFB 或DBR 激光器通常需要通過復雜的電子束直寫技術對光柵進行精確控制。

回音壁模式微腔激光器具有小模式體積、高品質因子、制備工藝簡單等優(yōu)點，在光子集成中具有很大的應用潛力。LONG Heng 等［17］研制了頂點直連輸出波導的正方形微腔激光器，實現了間隔為0.56 nm 的雙波長激射，相比于DBR 或者DFB 的雙模激光器，正方形微腔激光器的結構更加簡單，而且同一諧振腔中產生的雙模波長間隔對環(huán)境波動不敏感。隨后，LONG Heng 等［18］設計制作了具有方環(huán)形電流注入窗口的可調雙模微腔激光器，雙模波長間隔隨注入電流增加從0.25 nm 增加至0.39 nm。然而如果實現更小的雙模間隔，需要更大的正方形諧振腔，容易造成多橫模激射。為實現更小間隔的雙模激射，本文設計并制備了一種中心及四個角區(qū)電流注入的正方形微腔激光器，實現了波長間隔隨著注入電流的增加而減小的雙模激射。當電流由42 mA 增加到53 mA 時，波長間隔從0.18 nm 調諧到0.1 nm，并且強度比小于4 dB。除此之外，隨著電流的進一步增加，雙模在諧振腔內的相互作用由于間隔的進一步減小而愈加明顯，出現了明顯的單周期振蕩現象，為研究激光器腔內的非線性現象提供了可能。

1 器件仿真及工藝制備

1.1 器件結構與仿真

為了實現間隔可調的雙波長激射，設計了具有圖形化注入窗口的非均勻注入正方形微腔激光器。圖1給出了中心及四個角區(qū)電流注入窗口的正方形諧振腔的結構示意圖。其中a為正方形邊長，wg為輸出波導的寬度，W為位于正方形邊中點的方環(huán)形區(qū)域的寬度。腔體側向為氮化硅（SiNx）-苯并環(huán)丁烯（BCB）限制，SiNx厚度為200 nm，保證正方形微腔和BCB 之間具有良好的粘附性。

圖1 中心及四個角區(qū)電流注入窗口的正方形諧振腔的結構示意Fig.1 Schematic of the a microsquare resonator with a current injection window in the center and four corners

利用這種方案實現可調諧雙波長激射的原理是，在注入窗口區(qū)域的注入電流密度較大，導致該區(qū)域載流子密度較大，溫度較高，形成了非均勻分布的載流子濃度分布和溫度分布。進一步地，由于半導體材料的折射率隨載流子濃度和溫度而變化，因此會形成非均勻的折射率分布。

接下來，采用二維有限元方法（FEM，COMSOL Multiphysics）模擬仿真邊長a=30 μm，波導寬度wg=3 μm 的正方形微腔內的模場情況，InP、SiNx和BCB 的折射率分別設置為3.2、2.0 和1.54。仿真過程中將波導嵌入到完美匹配層中，以消除波導端面的背反射。假設注入窗口區(qū)域相對于其他區(qū)域的折射率相差Δn，其中Δn=0 對應著均勻注入電流的情況。

首先，計算了正方形微腔激光器在均勻注入情況下的TE 模，對應磁場的主分量Hz 的場分布如圖2（a）和2（b）?？梢钥闯鲅叵噜忂呏悬c的連線，基模和一階模分別顯示強場和弱場分布。由于模場分布不完全重合，基模和一階模存在較小的模式競爭，其品質因子分別為6.994×104和1.838×104?？紤]到實際器件中縱向輻射、材料吸收及制作工藝等損耗，這兩種模式有相近的品質因子來實現雙橫模激射。此外，在均勻注入情況下，基模和一階模分別位于1 548.338 nm 和1 548.047 nm，波長間隔為0.291 nm。

圖2 a = 30 μm，wg= 3 μm 的正方形微腔中的磁場（|Hz|）分布Fig.2 Simulated magnetic field（|Hz|）distributions in the square microcavity with a = 30 μm and wg= 3 μm

然后計算了正方形微腔激光器在非均勻注入情況下，注入與非注入區(qū)域的折射率分布差對雙模間距的影響。對于邊長a=30 μm、波導寬度wg=3 μm、方環(huán)形寬度W=6 μm 的正方形微腔，模式波長間隔λ與n的關系如圖3 中的方形符號曲線所示。當n從-0.005 增加到0.003，模式波長間隔從1.07 nm 減小到0.11 nm。對于邊長a=20 μm、波導寬度wg=2 μm、方環(huán)形寬度W=1 μm 的正方形微腔，圖3 的圓形符號曲線描述了其雙模間隔λ與n的關系。隨著Δn從-0.005 增加到0.005，雙模間隔從1.1 nm 減小到0.5 nm。仿真計算結果表明，非均勻注入導致的非均勻折射率分布可以改變兩個橫模波長間隔。此外，通過改變正方形微腔的邊長，可以實現波長間隔的改變。例如對于均勻注入的邊長20 μm 和30 μm 的正方形微腔激光器，雙橫模間隔分別為0.76 nm 和0.31 nm。

圖3 模擬正方形諧振腔的基模、一階模的波長間隔隨折射率分布差的變化關系Fig.3 Simulated wavelength intervals of the fundamental mode and the first-order mode versus Δn for the microsquare resonators

1.2 正方形微腔激光器的制備工藝

使用AlGaInAs/InP 外延片制備非均勻電流注入的正方形微腔激光器，其中有源層為5 個壓應變量子勢阱及6 個勢壘層交疊構成的多量子阱結構。首先通過等離子體增強化學氣相沉積（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD）技術在外延片上沉積600 nm 的SiO2層，并利用光刻和感應耦合等離子體（Inductively Coupled-Plasma，ICP）蝕刻技術，將腔體圖形由光刻膠轉移到SiO2層上，然后以圖形化的SiO2作為掩模ICP 刻蝕InP 外延片，得到刻蝕深度為4.7 μm 的正方形微腔，再使用HF 溶液去除剩余的SiO2掩膜。在刻蝕好的微腔的芯片上，采用PECVD 技術生長厚度為230 nm 的SiNx，隨后旋涂BCB 形成平坦表面，并采用反應離子蝕刻（Reactive Ion Etching，RIE）技術刻蝕BCB，暴露出腔體頂部。接著在芯片上沉積400 nm 的SiO2作為電絕緣層，然后進行非均勻注入窗口的套刻，利用光刻和ICP 蝕刻技術去除正方形微腔的中心區(qū)域和四個角區(qū)上方的SiO2和SiNx層，露出InP 保護層，然后利用鹽酸溶液濕法腐蝕InP 保護層，露出歐姆接觸層從而實現金半接觸。最后，通過電子束蒸發(fā)和帶膠剝離形成圖形化的Ti-Pt-Au 的P 型電極，再對結構片進行減薄到120 μm，拋光，隨后在N 面上磁控濺射Au-Ge-Ni，并合金形成N 型電極。制作完成的器件顯微鏡照片如圖4。

圖4 制備的中心及四個角區(qū)電流注入窗口的微腔激光器的顯微鏡圖Fig.4 Microscopic image of a square microcavity laser with a current injection window in the center and four corners

2 間距可調的雙模激光器的激射特性

對制備完成的正方形微腔激光器進行性能表征，該正方形微腔邊長30 μm，輸出波導寬度為3 μm，非注入窗口的方環(huán)形部分寬度為6 μm。通過半導體制冷器將激光器的熱沉溫度保持在288 K。采用多模光纖耦合測量正方形微腔激光器的輸出光功率以及外加電壓與注入電流的關系，如圖5（a）。激光器的串聯(lián)電阻為11.4 Ω，閾值電流約為9 mA。當注入電流為77 mA 時，該激光器輸出光功率達到最大，為1.04 mW。此外，圖5（b）給出了激光器在不同注入電流下的激射光譜。在注入電流為15 mA 時激光器開始雙模激射。隨著注入電流的增加，激光器在33 mA、44 mA 和70 mA 時發(fā)生了跳模，對應著L-I曲線中的功率突變。

圖5 正方形微腔激光器的激射特性Fig.5 Lasing characteristics of the square microcavity laser

接下來利用分辨率為0.02 nm 的光譜儀測量正方形微腔激光器的激射光譜。圖6（a）給出了注入電流從39 mA 到66 mA 的光譜圖?？梢钥吹皆谠撾娏髡{諧范圍內，激光器實現了雙模激射。并且，雙模間隔隨著注入電流的增加而逐漸減小，與理論分析一致。由于InP 基材料激光器的激射波長隨溫度的變化速率為0.1 nm/K，當注入電流為50 mA 時，可以估計注入窗口和非注入窗口的溫度差為2.5 K。圖6（b）給出了兩個激射模式的波長間隔和強度比隨注入電流的變化情況。當注入電流從42 mA 增加到50 mA 時，實現了強度比小于4 dB 的雙橫模激光。此時該激光器的波長間隔從0.18 nm 減小到0.1 nm，對應22.5 GHz 到12.5 GHz 的頻率差。與圖3 中的計算結果對比，隨著電流的增加，該激光器的雙模間隔對應的折射率分布差Δn從1×10-3增加至3×10-3，表明該正方形微腔激光器的折射率主要受溫度分布的影響。根據實驗和仿真結果，圖6（c）給出了折射率分布差與電流的關系，可以看到二者近似呈二次關系。除此之外，當注入電流范圍為39 mA 到43 mA 時，雙模間隔的調諧速度約為2 pm/mA。當注入電流范圍為44 mA 到50 mA時，雙模間隔的調諧速度約為9 pm/mA。因此調諧速度隨著電流的增加而增加，這可能是由于注入窗口區(qū)域的溫度與非注入區(qū)域的溫度差增大。

圖6 波長間隔和折射率分布差隨注入電流的變化Fig.6 Variation of wavelength interval and refractive index step with injection current

為了對比，同時也制備了采用方環(huán)形區(qū)域為電注入窗口的正方形微腔激光器。正方形腔體邊長為26 μm，輸出波導寬度為2.5 μm，方環(huán)形寬度為6 μm。該雙模激光器的激射光譜圖如圖7（a），此時注入電流從59 mA 增加到93 mA，雙模間隔隨著注入電流的增加而逐漸增大。如圖7（b），當注入電流從62 mA 增加到85 mA 時，雙模間隔可由0.202 nm 調諧至0.284 nm。這進一步驗證了折射率主要受溫度分布影響的結論。但是該器件基模和一階模的強度差較大，皆在8 dB 以上。

圖7 方環(huán)形電流注入窗口的正方形微腔激光器的波長間隔隨注入電流的調諧情況Fig.7 Wavelength interval versus the injection current for the square microlaser with a square-ring current injection window

為了進一步探究中心及四個角區(qū)電流注入窗口的微腔激光器的雙波長激射特性，圖8（a）給出了注入電流為41、45、49 和53 mA 時精細光譜圖，其中45、49 和53 mA 的光譜分別向上平移了50、100 和150 dB。注入電流為45 mA 時，可以看到兩個激射模式波長分別位于1 558.99 nm 和1 559.15 nm。并且，可以注意到在其兩側存在等間距分布的，位于1 558.83 nm 和1 559.31 nm 的兩個邊帶，且其譜寬遠小于高階模譜寬，據此可以判斷這兩個峰是由兩個激射模式之間的四波混頻效應產生，進一步說明了兩個模式的共存。波長位于1 558.45 nm 和1 557.91 nm 處的兩個寬峰，對應正方形微腔的二階和三階橫模。

圖8（b）給出了注入電流為61 、62 、64 和65 mA 時的精細光譜圖。當注入電流增加到61 mA 時，正方形微腔激光器的雙模間隔減小到0.08 nm。此時激光器具有明顯的非線性效應，處于單周期狀態(tài)，產生出多級的頻率邊帶，邊帶間隔為雙模間隔。當注入電流進一步增加到65 mA 時，單周期消失。由以上實驗結果可知，中心及四個角區(qū)電流注入的正方形激光器不僅可以應用于高頻微波信號的產生，同時也為研究激光器腔內的非線性現象提供了可能。

圖8 中心及四個角區(qū)電流注入窗口的微腔激光器的精細光譜圖Fig.8 Fine spectra of a microcavity laser with a current injection window in the center and four corners

3 結論

本文設計了具有中心及四個角區(qū)非均勻電注入窗口的正方形微腔激光器以實現間隔可調諧的雙模激射。首先利用有限元法模擬分析了非均勻注入窗口的折射率分布對雙波長間隔的影響。并且成功制備了邊長為30 μm 的雙波長正方形微腔激光器，實驗結果表明當注入電流由42 mA 增加到53 mA 時，波長間隔從0.18 nm 減小到0.1 nm。當進一步增加電流時，由于雙模間隔進一步減小，出現了明顯的單周期振蕩現象。本文所提出的具有中心及四個角區(qū)的電流注入窗口的正方形微腔激光器為后續(xù)產生光生微波、光頻梳等研究提供了間隔可調的光源。