1.5-μm波段25-GHz重頻亞皮秒脈沖輸出半導(dǎo)體鎖模激光器（特邀）

劉宇翔，張瑞康，王歡，陸丹，趙玲娟

（1 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所材料重點實驗室，北京100083）

（2 中國科學(xué)院大學(xué)材料與光電研究中心，北京100049）

（3 低維半導(dǎo)體材料與器件北京市重點實驗室，北京100083）

0 引言

超短光脈沖源在光模數(shù)轉(zhuǎn)換（Analog-Digital Conversion，ADC）［1］、光纖通信［2］、光生THz 通信［3］、微波光子學(xué)［4］等系統(tǒng)中均有重要應(yīng)用。鎖模技術(shù)是產(chǎn)生超短脈沖的常用手段，可以利用多種類型的鎖模激光器，如固體鎖模激光器、光纖鎖模激光器以及半導(dǎo)體鎖模激光器等產(chǎn)生不同重復(fù)頻率的短脈沖輸出。其中，固體鎖模激光器多用于產(chǎn)生MHz 量級重頻飛秒超短脈沖，光纖鎖模激光器用于產(chǎn)生MHz 至幾十GHz 量級重頻皮秒脈沖，而半導(dǎo)體鎖模激光器主要用于產(chǎn)生10 GHz 以上重頻皮秒脈沖。在光ADC 以及光纖通信系統(tǒng)中，通常希望采樣光源或多波長光源兼具高重頻、短脈沖、小體積、低成本以及可批量生產(chǎn)的特點。半導(dǎo)體鎖模激光器正是滿足上述要求的理想光源。

典型的半導(dǎo)體鎖模激光器包括一個增益區(qū)和一個飽和吸收（Saturable Absorber，SA）區(qū)。增益區(qū)為光信號提供放大，SA 區(qū)作為一個與光功率相關(guān)的開關(guān)窗，對低于飽和光功率的信號強(qiáng)烈吸收，而對高于其飽和光功率的信號基本透明。當(dāng)光脈沖在包含增益區(qū)和SA 區(qū)的諧振腔內(nèi)往復(fù)振蕩時，脈沖不斷放大、脈沖寬度不斷被壓縮，最終輸出振蕩頻率與腔長成反比的短脈沖序列。重復(fù)頻率、脈沖寬度和峰值功率是鎖模激光器的三個基礎(chǔ)參數(shù)。半導(dǎo)體鎖模激光器的重復(fù)頻率一般在幾GHz 到上百GHz 之間，脈沖寬度通常為皮秒量級，峰值功率大多在百毫瓦量級。當(dāng)脈沖在半導(dǎo)體材料中傳輸時，受增益帶寬、增益色散［5］以及自相位調(diào)制效應(yīng)［6］影響，脈沖會出現(xiàn)展寬、壓縮、光譜畸變等現(xiàn)象。特別是對于低重頻（＜10 GHz）的半導(dǎo)體鎖模激光器，由于腔長較長，當(dāng)采用全有源結(jié)構(gòu)時，增益色散會導(dǎo)致較為嚴(yán)重的脈沖展寬，往往需要集成無源波導(dǎo)來降低有源材料中增益色散的影響［7］。

為得到性能優(yōu)異的半導(dǎo)體鎖模激光器，需要對材料體系、材料結(jié)構(gòu)、有源區(qū)和飽和吸收區(qū)結(jié)構(gòu)以及腔內(nèi)損耗做綜合優(yōu)化。InGaAsP/InP 和AlGaInAs/InP 是兩種常用的材料體系。研究表明，AlGaInAs/InP 具有更好的溫度特性、飽和功率特性以及脈沖特性［8］，英國格拉斯哥大學(xué)采用AlGaInAs/InP 材料體系、5 對應(yīng)變量子阱的兩段式鎖模結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了40 GHz、700 fs 的短脈沖序列輸出［8］。他們還通過減少量子阱個數(shù)為3 對，并增加遠(yuǎn)場縮減層、增加半導(dǎo)體光放大器放大的方案實現(xiàn)了40 GHz 重頻、4 ps 脈沖寬度、550 mW 峰值功率的大功率鎖模激光器輸出［9］。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所同樣采用AlGaInAs/InP 材料體系，通過優(yōu)化SA 區(qū)的長度，采用碰撞鎖模結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了80 GHz 重復(fù)頻率的脈沖輸出，脈沖寬度1.75 ps、峰值功率188 mW［10］。

通常，高重頻半導(dǎo)體鎖模激光器更容易實現(xiàn)較窄的脈沖寬度，目前實現(xiàn)1 ps以下脈沖輸出的半導(dǎo)體鎖模激光器腔長一般多在1 mm 以下，也即重復(fù)頻率40 GHz以上。在光ADC應(yīng)用中，為了兼容電處理速度，往往希望通過對重復(fù)頻率較低（如10 GHz～25 GHz）的超短脈沖進(jìn)行時分復(fù)用，從而實現(xiàn)高重頻（如40 ～100 GHz）的采樣脈沖。然而低重頻鎖模激光器腔長較長，腔內(nèi)增益色散影響嚴(yán)重，脈沖寬度多在數(shù)皮秒量級。

本文研制了25 GHz 重復(fù)頻率亞皮秒輸出的半導(dǎo)體鎖模激光器。通過采用AlGaInAs/InP 應(yīng)變量子阱并引入下稀釋波導(dǎo)層來提升材料飽和能量、降低腔內(nèi)損耗以及有源區(qū)色散的影響，并通過優(yōu)化SA 區(qū)的長度來兼顧高功率與窄脈沖輸出。最終在1.5 μm 波段，利用兩段式鎖模結(jié)構(gòu)，在1.7 mm 腔長下實現(xiàn)了重復(fù)頻率24.3 GHz、脈沖寬度680 fs 的亞皮秒光脈沖輸出，脈沖光譜寬度為7.2 nm，峰值能量為525 mW。并將該結(jié)構(gòu)與InGaAsP/InP 材料體系的6 量子阱、兩段式鎖模激光器進(jìn)行了性能對比，研究表明，所研制的25 GHz 重頻半導(dǎo)體鎖模激光器具有更短的脈沖寬度以及脈沖質(zhì)量。

1 器件設(shè)計與制備

設(shè)計中采用了AlGaInAs/InP 材料體系。該材料體系具有較大的導(dǎo)帶帶階差和較小的價帶帶階差，更適于高溫工作，且SA 區(qū)反向偏壓范圍更大［8］，更有利于大功率、短脈沖輸出。在材料結(jié)構(gòu)和器件結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，主要從材料飽和能量Esat和腔內(nèi)損耗角度進(jìn)行優(yōu)化。為實現(xiàn)有效鎖模，需要SA 區(qū)的飽和能量Esat|SA低于增益區(qū)飽和能量Esat|G，也即需要SA 區(qū)先于增益區(qū)飽和，這樣才能實現(xiàn)脈沖輸出。增益區(qū)與SA 區(qū)的飽和能量的比值R=Esat|G/Esat|SA影響脈沖寬度，一般來說，脈沖寬度隨著R的增大而減小［7］。飽和能量Esat可表示為

式中，hν為光子能量，A為模場面積，Γ為光限制因子，dg/dN為微分增益［6］。對于反偏狀態(tài)的SA 區(qū)，其內(nèi)部載流子密度很低，微分增益高于正向偏置的增益區(qū)，因此，SA 區(qū)具有較低的飽和能量。通常希望提高增益區(qū)的飽和能量來獲得更高的脈沖功率、更小的脈沖寬度以及更小的自相位調(diào)制效應(yīng)。由式（1）可知，可以通過降低有源區(qū)微分增益、減小光限制因子、增加模場面積的方法來提高飽和能量。減小有源區(qū)量子阱個數(shù)是降低微分增益的常用手段，同時量子阱個數(shù)的減少也可以降低光限制因子，提高飽和光功率。在設(shè)計中，將量子阱個數(shù)從常規(guī)的5 組或6 組減少為4 組。另一方面，在n型層引入了一層折射率較高的稀釋波導(dǎo)層，一方面進(jìn)一步減小光限制因子并增加模場面積，另一方面稀釋波導(dǎo)層也可以將光場從自由載流子吸收損耗較高的p型層拉向損耗較低的n型層，減小了腔內(nèi)損耗。隨著光限制因子的減小以及光場向n型層的轉(zhuǎn)移，有源區(qū)增益色散的作用也會減弱，從而在較長腔長下獲得更短的脈沖寬度。在SA 區(qū)的設(shè)計上，將SA 的長度設(shè)計為總腔長的5%～7%之間，以獲得脈沖寬度更窄、峰值功率更高的脈沖［10］，同時抑制低頻自脈動現(xiàn)象的發(fā)生。

AlGaInAs/InP 半導(dǎo)體鎖模激光器的外延結(jié)構(gòu)如圖1。首先在n型InP 襯底上外延500 nm 厚n型摻雜的InP 緩沖層、InGaAsP/InP 稀釋波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和1 μm 厚n型InP 層。然后依次生長100 nm 厚的下限制層，4 對AlGaInAs 量子阱層（阱/壘）和100 nm 厚的AlGaInAs 上限制層。上下限制層與量子阱層構(gòu)成了激光器的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。隨后外延80 nm P-InP 層、20 nm 厚的P-InGaAsP 層、1.5 μm 厚的p型InP 蓋層和200 nm 高摻雜的InGaAs 層，20 nm 厚的P-InGaAsP 層用來作為刻脊波導(dǎo)時的刻蝕停止層，高摻雜的InGaAs層用來形成歐姆接觸。

圖1 AlGaInAs/InP 鎖模激光器材料結(jié)構(gòu)Fig.1 Material structure of the AlGaInAs/InP mode-locked laser

器件采用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體激光器工藝制備，芯片為兩段式結(jié)構(gòu)，包含增益區(qū)與一個SA 區(qū)。芯片總長度為1 740 μm，增益區(qū)長1 575 μm，SA 長125 μm。增益區(qū)和SA 區(qū)之間的電隔離通過腐蝕InGaAs 接觸層實現(xiàn)，隔離區(qū)長度為40 μm，隔離電阻為2 kΩ。

2 器件性能測試

對芯片進(jìn)行測試表征過程中，半導(dǎo)體鎖模激光器芯片被置于溫控平臺上并將溫度控制在20℃。激光器功率-電流曲線（L-I）通過積分球測量，光譜、重復(fù)頻率、脈沖寬度以及啁啾特性分別通過光譜分析儀（Advantest Q8384）、頻譜分析儀（Agilent PXA-N9030A）、強(qiáng)度自相關(guān)儀（APE-150）和頻率分辨光學(xué)開關(guān)（Frequency Resolved Optical Gating，F(xiàn)ROG）（Coherent Solutions HR-150）進(jìn)行性能表征。除L-I曲線測試外，其它所有測試均通過拉錐光纖耦合測試。

圖2 給出了未鍍膜芯片的光功率-電流（L-I）曲線，在未施加反向偏壓時，鎖模激光器閾值電流50 mA，在300 mA 下激光器的輸出功率超過35 mW，單邊斜率效率0.14。對SA 區(qū)施加反向偏壓后，SA 區(qū)呈現(xiàn)飽和吸收作用，鎖模激光器的閾值電流比未偏壓時增大，輸出功率減小，單邊斜率效率降低。隨著反向偏壓的增加，激光器輸出功率逐漸降低。通過控制激光器的注入電流以及反向偏壓，可以獲得不同寬度和功率的脈沖輸出。

圖2 AlGaInAs/InP 鎖模激光器在不同反向偏壓下的L-I 曲線Fig.2 L-I curve of the AlGaInAs/InP mode-locked laser under different reverse voltage

在增益區(qū)正向偏置電流250 mA，SA 區(qū)反向偏壓-3 V 情況下，獲得了該芯片的最短脈沖輸出狀態(tài)。圖3 為利用自相關(guān)儀測得的脈沖自相關(guān)曲線及其擬合結(jié)果。自相關(guān)跡表明脈沖序列的時間間隔為41 ps，對應(yīng)于重復(fù)頻率約為24.3 GHz。擬合脈沖呈洛倫茲型，經(jīng)反卷積計算后脈沖寬度為680 fs。圖4 為脈沖的光譜及射頻頻譜。由圖4（a）可知鎖模脈沖半高全寬（Full Width at Half Maximum，F(xiàn)WHM）光譜寬度帶寬為7.2 nm，可以計算得到脈沖的時間帶寬積（TBP）為0.615，時間帶寬積大于洛倫茲型脈沖轉(zhuǎn)換極限0.221，脈沖存在啁啾。脈沖的射頻頻譜通過50 GHz 帶寬的高速探測器經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后，由頻譜儀測量。由圖4（b）可知，脈沖的重復(fù)頻率為24.3 GHz，信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）32 dB，脈沖處于較好的鎖模狀態(tài)。

圖3 AlGaInAs/InP 鎖模激光器脈沖自相關(guān)曲線Fig.3 Pulse autocorrelation trace of the AlGaInAs /InP mode-locked laser

圖4 AlGaInAs/InP 鎖模激光器脈沖光譜及頻譜特性Fig.4 Optical and RF spectrum of the AlGaInAs /InP mode-locked laser

為獲取脈沖的啁啾特性，利用FROG 對脈沖做進(jìn)一步分析，圖5（a）為測量得到的鎖模脈沖的譜圖，通過FROG 可以得到脈沖精確的強(qiáng)度分布和相位信息?？梢钥闯?，脈沖能量集中在±1 ps 范圍內(nèi)（以紅色區(qū)域為基準(zhǔn)）。圖5（b）為利用FROG 測量得到的脈沖幅度及瞬時頻率信息?？梢钥闯觯現(xiàn)ROG 測量得到的脈沖與自相關(guān)儀測得的脈沖形狀一致，相位特性上呈現(xiàn)上啁啾特性，脈沖前沿為負(fù)啁啾，后沿為正啁啾，在脈沖中心部分的啁啾近似為線性。

圖5 AlGaInAs/InP 鎖模激光器脈沖FROG 測試Fig.5 FROG test of the AlGaInAs/InP mode-locked laser

作為對比，測試了基于InGaAsP/InP 材料體系的傳統(tǒng)鎖模激光器脈沖特性。該鎖模激光器采用6 對量子阱、兩段式鎖模結(jié)構(gòu)，工作頻率為24.5 GHz。與設(shè)計的AlGaInAs/InP 鎖模激光器結(jié)構(gòu)相比，用于對比的InGaAsP/InP 鎖模激光器具有更大的光限制因子，光場被更多的限制在色散和非線性效應(yīng)更強(qiáng)的有源區(qū)內(nèi)。圖6（a）給出了InGaAsP/InP 和AlGaInAs/InP 鎖模激光器輸出脈沖對比?？梢钥闯?，用于對比的InGaAsP/InP 鎖模激光器在脈沖中心附近具有較窄的脈沖寬度，在兩翼處出現(xiàn)脈沖展寬的平臺，脈沖底部比本文設(shè)計的鎖模激光器寬2～3 倍，該現(xiàn)象意味著脈沖具有更復(fù)雜的波形或相位分布。脈沖的光譜如圖6（b），光譜寬度約為2 nm。為進(jìn)一步明確InGaAsP/InP 鎖模激光器脈沖特征，采用FROG 對其進(jìn)行進(jìn)一步分析，測得譜圖如圖7（a），可以看到，該脈沖的頻譜分量覆蓋范圍與AlGaInAs/InP 鎖模激光器類似，但是脈沖能量明顯分散在±6～7 ps 內(nèi)，具有更寬的脈沖寬度。圖7（b）為脈沖幅度及瞬時頻率信息，可以看出該脈沖前沿伴有較大的頻率啁啾，且具有明顯的振蕩結(jié)構(gòu)，形成不對稱的脈沖形狀。該振蕩結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致自相關(guān)曲線兩翼出現(xiàn)平臺。推測導(dǎo)致25 GHz InGaAsP/InP 鎖模激光器脈沖質(zhì)量較差的原因在于該結(jié)構(gòu)的量子阱數(shù)量較多，光限制因子較大，材料飽和能量較低，激光被限制在增益色散較嚴(yán)重的有源區(qū)傳輸，在將近2 mm 的腔長內(nèi)傳輸時，導(dǎo)致容易受到自相位調(diào)制效應(yīng)和增益色散影響，使脈沖出現(xiàn)畸變。而本文所采用的AlGaInAs/InP 鎖模激光器結(jié)構(gòu)則有效避免了上述不利因素的影響，從而獲得25 GHz 超短脈沖輸出。

圖6 InGaAsP/InP 鎖模激光器脈沖特性Fig.6 Pulse characters of the InGaAsP/InP mode-locked laser

圖7 InGaAsP/InP 鎖模激光器脈沖FROG 測試Fig.7 FROG test of the InGaAsP/InP mode-locked laser

3 結(jié)論

本文利用AlGaInAs/InP 材料體系研制了25 GHz 重頻的亞皮秒輸出半導(dǎo)體鎖模激光器。采用4 對應(yīng)變量子阱并通過引入下稀釋波導(dǎo)層減小光限制因子、增加模場面積、提高激光器材料飽和能量，從而減小腔內(nèi)色散對脈沖的影響。最終在1.5 μm 波段實現(xiàn)了重頻24.3 GHz、脈沖寬度680 fs 亞皮秒光脈沖輸出，脈沖峰值能量為525 mW。