1.3μm GaAsSb/GaAs单量子阱垂直腔面发射激光器的仿真研究

何斌太，刘国军，魏志鹏，安宁，刘鹏程，刘超，王旭

（长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室，长春 130022）

如今光纤通信已经成为当代通信的主流，是信息社会的主要支柱之一。垂直腔面发射激光器（VCSEL）以其光束质量好、阈值电流低、易于集成和制造成本低廉等优点成为光纤通信系统中重要的光源［1］。与石英光纤第二低损窗口相对应的1.3μm VCSEL能够满足当前城域网的需求，在中远距离高速数据通信、光互联和光识别等方面有着广阔的应用前景［2］。鉴于AlGaAs材料可以构成高性能的分布布拉格反射镜（DBR），因此多采用与GaAs基材料晶格相匹配的有源材料。已经证实InGaNAs/GaAs材料系可以实现1.3μm波长激射［3，4］，然而N组分对材料增益峰值波长影响明显且生长不易控制，导致器件的光学特性及可靠性受到很大的影响［5］。高质量的应变GaAsSb三元化合物可用分子束外延法（MBE）生长在GaAs上，且不易产生三维成核，并在相当大的近红外范围内能产生很强的发光。为了研制能满足光纤通信应用要求的高性能1.3μm VCSEL，我们以GaAsSb/GaAs作为有源材料，基于PICS3D软件建立激光器仿真模型，对材料增益、器件的阈值电流和输出功率等性能参数进行了分析。

1 理论分析

VCSEL核心结构主要包括DBR和有源区。良好的器件特性往往是由材料性质及其结构所决定的，下面分别介绍DBR与有源区的设计。

1.1 DBR的设计

由于VCSEL的有源层很薄，只有亚微米量级，比起边发射激光器的有源层谐振腔要小两个数量级，因此就要求DBR具有很高的光反射率。

DBR一般是由多周期的高低反射膜堆叠而成，每个周期高低折射率层的厚度要严格遵循λ/4光学厚度。半导体化合物材料的折射率主要受材料的禁带宽度和入射光的波长这两个因素影响，计算公式为：

式中，

其中，Eg(x,y)为材料的禁带宽度；ω为入射光的频率；A(x,y)为Eg(x,y)与Eg(x,y)+Δ(x,y)之间的跃迁几率；B(x,y)为非色散项；Δ(x,y)为分裂能量。GaAs和AlAs二元材料参数如表1所示。

表1 300K时GaAs和AlAs材料参数

利用表1参数计算出，1.3μm条件下，GaAs的折射率为3.451，AlAs的折射率为2.930。由于VCSEL有源区厚度较小，为了满足激射，DBR反射率要达到99.5%。采用GaAs/Al0.9Ga0.1As材料系构成DBR，上、下DBR对数分别为26和36.5。上DBR反射率达到99.5%，下DBR反射率达到99.9%。图1（a）和图1（b）分别为模拟的上DBR和下DBR的反射光谱。

图1 模拟的上DBR和下DBR的反射光谱

1.2 有源区的设计

有源区作为VCSEL载流子复合区域，采用量子阱结构。基于量子阱应变理论与固体模型理论，数值上求解一维有限深方势阱薛定谔方程，从而确定量子阱结构中材料的组分及厚度。经实验验证［6-9］与理论分析，GaAsSb/GaAs材料的能带呈II型排列。

图2 GaAs0.64Sb0.36/GaAs量子阱的能带图

量子阱材料的选择主要考虑材料的晶格匹配和能带带隙。经过对比不同组分GaAsxSb1-x及阱宽对器件发光波长的影响，最终采用GaAs0.64Sb0.36/GaAs材料，量子阱宽度为7nm。根据上述理论计算出GaAs0.64Sb0.36/GaAs量子阱的能带图如图2所示。在量子阱的个数选择上，随着量子阱个数增加，量子阱增益区所提供的光增益会不断地增加。但是量子阱个数增加到一定的数值时，将对器件的阈值电流密度产生影响［10］。另外考虑到材料的临界厚度，本文采用单量子阱结构。

1.3 器件结构参数

根据上述理论分析，本文设计的1.3μm GaAs-Sb/GaAs量子阱垂直腔面发射激光器详细结构参数如表2所示。

表2 1.3μm GaAsSb/GaAs VCSEL结构参数

2 器件仿真与结果分析

根据表2所示的结构参数，采用PICS3D软件模拟了氧化孔径为7μm器件特性，图3是器件结构的剖面图，仿真结果如图4至图7所示。

图3 器件结构的剖面图

图4为沿生长方向材料折射率和样品内驻波之间的分布图示。从图中可以看出中间驻波刚好位于量子阱的阱区，二者形成最大的重叠，这时增益可以达到最大值。

图4 生长方向材料的折射率与驻波

图5为注入不同浓度载流子时，量子阱材料的增益图。从下到上载流子浓度由0.5×1018cm-3变到5×1018cm-3，间隔为0.5×1018cm-3。从图中可以看出在不同注入浓度时，在1.3μm处均达到最大值。

图5 不同载流子浓度下材料增益曲线

图6为器件整体往返增益随波长的变化图。从图中可以看出，在相当大波长范围内增益是均匀的，这是器件在所需的工作波长稳定运行的基本要求。

图6 往返增益随波长变化图

图7为器件输出功率与输入电流关系曲线图。从图中可以看出，阈值电流为0.8mA，斜率效率为0.017W/A，当输入电流为8mA时，输出功率达到0.12mW。

图7 器件P-I曲线

3 结论

本文从理论上计算AlGaAs材料的折射率，模拟了DBR反射特性，得到符合器件要求的DBR。基于PICS3D软件设计了氧化孔径为7μm的VCSEL器件仿真模型，对GaAsSb/GaAs材料增益及器件光电特性进行仿真，得到阈值电流为0.8mA，斜率效率为0.017W/A，当输入电流为8mA时，输出功率为0.12mW的仿真结果。该设计具有较好的输出特性，能够满足光纤通讯技术对半导体激光器光源的性能要求。

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