布拉格反射波导双光束边发射半导体激光器

苏道军，计伟，崔碧峰，3，邱伟彬，佟存柱，张松，王晓玲，凌小涵，王加贤

（1.华侨大学 信息科学与工程学院，福建 厦门361021；2.北京工业大学 电子信息与控制工程学院，北京100124；3.牡丹电子集团有限公司，北京100191；4.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春130000）

近年来，布拉格反射波导结构的半导体激光器广泛应用于各种各样的器件中，包括高速打印机、高灵敏度的激光吸收光谱仪、先进的激光测速仪以及沟深监控系统等［1－6］.这种半导体激光器具有较高的增益系数、较强的模式识别以及较大的模式面积等优点［7－9］.产生双光斑输出通常有两种方法：一是利用光纤阵列或光束耦合器耦合2个单个激光器发出的光束［10］；二是利用光栅、极化棱镜、非退化的光学寄生振荡器将单个光束分散成2个光束［11］.但是，这些方法由于复杂的光学对准和体积的限制，应用较少.除此之外，双脊激光二极管也可以替代双光斑激光光源在横向上产生2个输出光斑.但是，这种激光器在工作时双脊之间相互影响产生的热效应使得激光器的输出性能严重不稳定［12］.实现双光斑输出最理想的方法是从器件的结构出发.近年来，为了得到单个稳定的具有较大光学模式尺寸的激光光束，人们提出了单个布拉格反射波导和2个布拉格反射波导的边发射半导体激光器［13－15］，这类激光器可以在垂直方向上分别实现极窄的单个光斑和非常发散的多个光斑.本文通过设计多量子阱有源区两侧的布拉格反射波导结构实现2个极窄的双光斑输出.

1 器件结构设计

布拉格反射波导边发射半导体激光器结构，如图1所示.量子阱有源区的两侧具有非1／4波长布拉格反射波导结构（BRW），每一侧都是由6对厚度分别为100nm／750nm的Al0.1Ga0.9As／Al0.3Ga0.7As分布式布拉格反射镜组成.量子阱有源区的材料为2个In0.2Ga0.8As／GaAs量子阱组成，布拉格反射波导的界面有20nm的组分渐变层，P＋的重掺杂欧姆接触层到有源区厚度为5.3μm，整个外延层的厚度为12.7μm.此外，在量子阱有源区和上下布拉格反射波导之间有一层750nm的Al0.3Ga0.7As层.文中所设计的器件各层结构的折射率分布，如图2所示.

图1 布拉格反射波导边发射半导体激光器Fig.1 Edge－emitting semiconductor laser with Bragg reflection waveguide

图2 布拉格反射波导边发射半导体激光器折射率Fig.2 Refractive index of edge－emitting semiconductor laser with Bragg reflection waveguide

边发射半导体激光器的远场发散形式是由近场的电磁场分布的傅里叶变化决定的.由于近场的电磁场分布具有周期性的最大值和最小值的变化，所以这种电磁场分布可以用正弦函数或者余弦函数来近似表示［12］.对于文中所设计的器件结构，在端面附近的垂直电场分布可近似表示为余弦函数与高斯函数的乘积，即

标准的瑞利－索末菲（Rayleigh－Sommerfeld）衍射积分［12］为

由式（2）可得到远场光束强度，即

式（3）中：θ为远场发散角.由式（3）可知：布拉格反射波导边发射激光器的远场光束在θ＝±arcsin［λ／（2Λ）］处存在2个高斯形状的光斑，可通过改变布拉格反射波导的周期厚度来控制；对于文中所设计的器件结构，Λ＝0.89μm，带入可计算出在Λ＝±33.4°处出现2个高斯光斑.

由以上分析可知：布拉格反射波导结构的周期厚度决定了垂直方向上的2个高斯光斑之间的角度，而垂直方向上单个高斯光斑的远场发散角主要是由光学波导厚度来决定的.因此，可以通过设计布拉格反射波导结构来精确控制布拉格反射波导边发射激光器的垂直光场分布.

2 器件制备与测试

2.1 器件的制备

采用金属有机物化学气相沉积法（MOCVD），在（100）方向的n＋－GaAs衬底依次外延缓冲层、n－DBR、多量子阱有源区、p－DBR和p＋重掺杂的欧姆接触层形成布拉格反射波导边发射激光器的外延结构.外延生长完成后，利用标准的光刻工艺和湿法腐蚀工艺形成条宽为100μm的脊型波导结构，湿法腐蚀的深度约为280nm.然后，采用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）淀积200nm的SiO2作为电绝缘层；利用标准光刻工艺制作电极窗口，溅射正面电极Ti／Au，厚度为50nm／300nm；经过背面减薄，溅射50nm／300nm的背面电极AuGeNi／Au后，在430℃条件下快速合金35s.最后，溅射100nm的金层.为了测试镀膜对器件性能的影响，将制备好的器件分为两部分：一部分以自然解理面作为谐振腔的腔面；另一部分则在器件的反射面和出光面分别镀上90%的高反膜和1.3%的增透膜，解离成单个器件后分别进行测试.

2.2 拟合内量子效率和内损耗

F－P腔的边发射半导体激光器的外微分量子效率和内量子效率及内损耗的关系［16］为

式（4）中：ηd为外微分量子效率；ηi为内量子效率；αi为内损耗；L为谐振腔腔长；R1，R2分别为腔面的反射率.对式（4）两边取倒数后可得

图3 内量子效率和内损耗拟合曲线Fig.3 Fit curre of internal quantum efficiencyal and internal loss

由式（5）可知：腔长与外微分量子效率的倒数呈线性关系.因此，可通过测试不同的腔长对应的外微分量子效率，利用Origin软件经过线性拟合算出内量子效率和内损耗.实验分别进行了800，1 200，1 500μm等3种腔长的器件测试，其结果如图3所示.由拟合结果可知：内量子效率ηi为47.64%；内损耗αi为1.265cm－1.

2.3 器件镀膜测试

将制备好的外延片解离成1mm腔长的单管管芯，然后P面向下烧结在镀有铟的铜热沉上，将铜热沉封装在TO－3的管座上，用LD2002C4型半导体激光器测试仪进行测试.施加1A的连续电流，测得器件的P－I－V曲线和垂直发散角，如图4所示.

由图4可知：器件的输出光束在垂直方向附近出现2个光斑，其位置与理论推导到的±33.4°有一定偏差，这是由于在封装时摆放管芯的过程中，芯片距离中心位置有一定的偏移.器件的阈值电流较大，达到400mA，这是由器件的结构所决定的.器件外延结构在多量子阱有源区两侧具有对称的非1／4波长的DBR结构，注入的电子和空穴复合后发射出的光子除了在水平方向上的谐振腔内的损耗和腔面损耗外，还有一部分光子在上下DBR之间谐振，使得器件的阈值电流比普通F－P腔的边发射半导体激光器的阈值电流大.

为了得到较大的输出功率，对激光器的腔面进行镀膜，一端镀上90%的高反膜，另一端镀上1.3%的增透膜.器件的测试结果，如图5所示.镀膜后对器件施加3A的连续电流，可得到1.40W的输出功率.在脉冲条件下，器件在4A的驱动电流作用下，可得到2.26W的输出功率.但此时阈值电流是490 mA，与镀膜之前相比有了一定的增加，这是因为当器件的前后腔面镀完膜后，器件的腔面损耗增大，总损耗增加，从而使器件的阈值电流变大.

2.4 变温测试

半导体激光器的输出特性与温度密切相关.随着温度的升高，激光器的阈值电流增加，输出功率降低，发射波长漂移，造成激光器模式不稳定，从而影响器件的寿命.对腔长为1mm，镀有90%的高反膜和1.3%的增透膜的单管器件在283～343K温度范围内进行变温测试，其P－I－V曲线如图6所示.

由图6可知：随着温度的升高，器件的阈值电流将会增加.这主要是因为随着温度的升高，器件的热效应越来越显著，使得器件中的损耗系数增加，漏电流增加，内量子效率降低，阈值电流增大.此外，器件的输出功率也会逐渐较小，这是由于随着温度的升高，注入的电子中参与非辐射复合的电子数越来越多；从器件外部来看，器件注入的电功率转化为焦耳热的比例越来越大，最终导致输出功率逐渐减小.

实验中进一步研究了阈值电流与温度的变化关系.阈值电流与温度的关系满足指数关系［16］为

式（6）中：Tr为室温；Ith（Tr）为室温下的阈值电流；T0为表征半导体激光器温度稳定性的重要参数，称为特征温度，它与激光器的材料和结构有关，T0越大，表明激光器对温度的敏感程度越小，热特性越好.阈值电流和中心波长随温度的变化关系，如图7所示.

图4 腔面镀膜前器件的P－I－V曲线及垂直远场发散角 Fig.4 Device cavosurface with no coating filmP－I－Vsurve and divergence angle in the far field vertical direction

图5 腔面镀膜后器件的P－I－V曲线 Fig.5 Device cavosurface with coating filmP－I－Vsurve

图6 不同温度下器件P－I－V曲线Fig.6 P－I－Vsurve of different temperature

图7 阈值电流及中心波长随温度变化趋势Fig.7 Threshold current and central wavelength of different temperature

对式（6）两边取对数得lnIth（T）＝lnIth（Tr）＋（T－Tr）／T0.做lnIth（T）～T的关系曲线.由此可知：该曲线为1条直线，且斜率为1／T0，拟合数据后得到在283～343K温度范围内对应的特征温度为91K.当温度升高时，有源区半导体材料禁带宽度将会减小，激射波长将会增大，即红移，如图7所示.随温度升高，红移速率为0.256nm·K－1.

3 结束语

设计1种新型的具有波长布拉格反射波导结构的边发射半导体激光器，其输出功率主要集中在垂直方向上±33.4°处.通过拟合，得到器件的内量子效率为47.64%，内损耗为1.265cm－1.为了得到较大功率的输出，对器件的前后端面分别镀上90%的高反膜和1.3%的增透膜.由实验可知：在连续注入3A电流时，可实现1.40W的功率输出；脉冲注入4A电流时，可实现2.26W的功率输出.此外，器件在283～343K的温度范围内对应的特征温度可达到91K.

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