低阈值单横模852 nm半导体激光器∗

刘储 关宝璐 米国鑫 廖翌如 刘振扬 李建军 徐晨

(北京工业大学,信息学部电子科学与技术学院,光电子技术省部共建教育部重点实验室,北京100124)

低阈值单横模852 nm半导体激光器∗

刘储 关宝璐†米国鑫 廖翌如 刘振扬 李建军 徐晨

(北京工业大学,信息学部电子科学与技术学院,光电子技术省部共建教育部重点实验室,北京100124)

(2016年9月7日收到;2017年1月30日收到修改稿)

基于波导理论、等效折射率方法,设计并制备了非对称波导隔离双沟结构脊型边发射激光器,最终获得了低阈值单基侧模852 nm激光器.详细研究了不同脊型台深宽比参数设计对激光器侧向模式特性的影响规律,实现了腔面未镀膜情况下脊型波导边发射激光器的单基侧模稳定输出,同时激射波长可以精确调谐到852 nm;工作电流达到150MA,工作温度30◦C;斜率效率最高可达0.89 mW/MA,光谱半宽小于1 nm.研究结果为进一步实现超窄线宽激光器提供了参考和借鉴,并且为实现激光器稳定输出提供了实验基础.

脊型波导边发射激光器,侧向模式,模式稳定性

1 引言

随着信息化时代科学技术的高速发展,具有低阈值、高微分量子效率、低热阻和单横模的高性能半导体激光器已经成为面向光纤传送数字通信、光交换的密集波分复用(DWDM)系统、集成光子计算以及生物医疗等领域的核心器件,同时,在原子钟、磁力仪及陀螺仪等原子传感、探测的高新技术领域,具有模式稳定、高光束质量和窄线宽的高性能852 nm半导体激光器[1,2]抽运的铯原子频谱可以用于时间频率的精密测量、航天卫星光子惯性导航、车船空间定位与导引等.因此,高功率、低阈值、模式特性稳定的高光束质量852 nm半导体激光器光源成为人们研究的热点和重点.然而,由于激光器的本身外延结构限制,虽然垂直横模为稳定单模输出,但是侧模受到激光器横向结构影响严重,其单基模输出条件苛刻.而且对于脊型波导结构,由于光波导导引机制的竞争和模式竞争同时存在,使得侧向模式控制更为困难[3,4].因此,实现高边模抑制比的单基侧模输出,详细阐明侧模导引机制转变与模式竞争过程成为本文的研究重点.

对于条形激光器侧向导引机制,在1975—1977年间,Cook和Nash[5]以及K rupka和Paoli[6]进行了一系列理论和实际的研究工作.K irkby和ThoMpson[7]也做过实验研究,与Cook的结果一致,给出了对于条形激光器在侧向导引机制方面的解释,即解释了“kink”效应.对于脊型波导激光器,虽然与条形激光器有相似之处,但在激光器侧向结构上有着本质的不同,在这个方面还未见有深入探究.对于激光器侧向模式的控制需要做到两点:1)激光器输出光功率无“kink”效应,即保证激光器工作状态下导引机制不发生变化;2)激光器脊型台深宽比的最优选择,即保证低阶模式容易占据主导地位.本文中,对于在超精细光谱测量、原子钟、卫星及光纤通信等领域有着广泛应用的852 nm半导体激光器的侧向模式进行了理论分析和实验探究.利用等效折射率方法对无源波导结构中的模式特性进行理论分析,并优化设计了单基侧模脊型波导的结构参数,最终实现了852 nm半导体激光器单基侧模激射和线性光功率输出,为进一步实现窄线宽852 nm半导体激光器打下了良好基础.

2 器件结构设计与制备

图1为852 nm脊型波导边发射激光器的立体结构示意图.其中,w表示脊型台宽度;d表示脊型台腐蚀深度;h表示隔离沟槽腐蚀深度;n1,n2,n3分别表示不同位置结构中的有效折射率.建立有效折射率差值可以为控制侧向模式提供更多结构优化的方式[8].一阶侧模的截止宽度为

其中λ0为中心波长.

图1中852 nm半导体激光器外延结构是通过金属有机物化学气相淀积(MOCVD)外延生长得到,其主要结构为:在n型GaAs衬底上生长缓冲层与A l组分渐变的A lGaAs过渡层,随后生长厚度为1µm的n型掺杂A l0.5Ga0.5As限制层;再生长A l0.3Ga0.7As非对称波导结构和InA lGaAs有源层[9−11],其中p型侧厚度为400 nm,n型侧厚度为200 nm;然后生长厚度为1µm的p型掺杂A l0.42Ga0.58As限制层;最后生长A l组分渐变的A lGaAs过渡层和p型重掺杂GaAs接触层.其制备工艺流程为:首先利用光刻和湿法腐蚀工艺,刻蚀出两条隔离沟槽,隔离沟槽之间相距30µm;随后再光刻和腐蚀出宽度为5µm的脊型台,脊型台深度分别有500和800 nm;然后通过等离子体增强化学气相淀积(PECVD)淀积一层200—300 nm厚(厚度随脊型台腐蚀深度加深而增厚)的SiO2电隔离层;采用剥离工艺去除SiO2制作出5µm电极窗口;利用磁控溅射仪,溅射315 nm的Ti/Au p型电极,运用剥离工艺形成电极图形,使得激光器腔面位置没有电流注入[12];然后背面衬底减薄至120µm,溅射350 nm的AuGeNi/Au n型电极,并在435◦C,35 s的条件下进行快速退火处理,最终得到具有良好欧姆接触的852 nm半导体激光器芯片.

图1 (网刊彩色)脊型波导边发射激光器立体结构示意图Fig.1.(color on line)ScheMatic diagraMof the three-d iMensional structu re of the ridge waveguide diode lasers.

3 实验结果与分析

从理论可知脊型波导边发射激光器可通过台面高度来产生折射率差值的变化,从而设计不同参数的脊型台控制激光器单基侧模工作[13−15].但在平行于结的侧向方向上,光波导引机制又受到增益导引机制和弱折射率导引机制的共同作用[16],因此,侧向模式的不稳定性较为突出.上述两种导引机制互相竞争,在较低的注入电流水平下侧向模式为增益导引,但当注入电流水平高于某一程度以后便会转变为折射率导引.由于自由载流子浓度的变化,引起了波导特性的改变,也就是说波导性质是由载流子变化而决定的.根据波导理论的分析,脊型台宽度可以调控侧向模式阶数,脊型台深度能够控制侧向导引机制,两者的比值——脊型台面深宽比(d/w)是影响模式稳定性的决定性因素[17,18].由此,我们可以推断出脊型台宽度和脊型台腐蚀深度是两个最为关键的结构参数.另外,激光器的隔离沟槽双沟结构,为激光器在外部结构中提供了更大的折射率差值,该条件可将电子和光子更好地限制在发光区中,降低阈值电流,提升激光器输出光功率.同样作为结构上的改进,光刻电极图形,腔面处无电极,无电流注入,便减少了非辐射复合[19,20],可进一步提高输出功率,减缓腔面光学灾变性损伤(COD).

图2所示为激光器的光功率和光谱特性曲线.因为脊型波导边发射激光器的侧向模式会受到脊型台条宽度和深度的双重影响,因此,在实验过程中,我们根据(1)式确定脊型台条宽度为5µm,只改变脊型台腐蚀深度,即分析脊型台深度500 nm(浅腐蚀,图2(a))和800 nm(深腐蚀,图2(b))的两个激光器的主要特性.从图2中可以看出,在脊型台条宽相同的情况下,腐蚀深度(即折射率差值)越大,模式阶数也高,从而形成的稳定振荡模式也就越多,造成激射波长不稳定,容易产生跳变(导引机制以及模式之间),如图2(b)所示.说明激光器激射过程中侧向模式的竞争较为激烈,导引机制发生转变,从增益导引机制跳转到弱折射率导引机制,侧向模式再在弱折射率机制控制下,主模与边模相互竞争,导致激射模式不稳定.因此,在140 MA驱动电流时,电压及输出光功率都发生了波动,没有保持线性变化,即弱折射率导引机制下激光器多侧模激射时自身不稳定.

脊型激光器结构本身为弱折射率导引,在平行于结平面方向存在折射率差值;然后,在小电流注入下,注入电子复合还较小,所以载流子浓度增大,导致脊型台垂直方向的折射率减小,即平行于结平面方向的折射率差值较小,向增益导引过渡;但随着电流注入的增大,激光器激射后,注入的电子发生辐射复合转换为光子输出,载流子浓度下降,脊型台垂直方向的折射率升高,并且由于注入电子会发生横向扩散,脊型台两侧区域载流子浓度升高,折射率降低,从而平行于结平面方向的折射率差值再次增大,转变回弱折射率导引.腐蚀深度越深,折射率差值越大.在小电流下,激光器电子转换为光子水平较低,腐蚀深度越深,从增益导引机制转换回弱折射率导引机制所需的电流也就越多,光功率曲线越容易发生扭折.

图2(a)的P-I-V曲线始终保持着线性增加的趋势,说明激光器在激射的过程中处于稳定的弱折射率导引机制下.同时,更小的折射率差值(平行于结平面方向)对于控制侧向模式在低阶模式也更为有效.

图2功率曲线及侧向模式对比(a)光功率曲线及单侧模激射;(b)光功率曲线“kink”效应及多侧模激射Fig.2.Laser ou tput power cu rve and lateral Mode contrast:(a)Laser power and single fundaMental lateralMode spectrum;(b)laser power w ith“kink”eff ect and lateralMu lti-Mode spectrum.

图3 为在注入电流增加过程中激光器的光谱曲线,可以表明侧向模式的状态.电流从零开始逐渐增加,在50 MA左右激光器激射,此时光谱曲线中还未有明显的峰值突起;电流增大到100MA时,光谱曲线中出现明显的双峰,说明侧向模式为高阶模式获得了更大的增益效果占据主导地位;随电流进一步加大到130 MA时,低阶侧模模式开始获得较强的增益,抑制高阶侧向模式,从高阶侧模向低阶侧模过渡,原因是折射率导引机制的限制效果增强,从而脊型结构对低阶模式的控制力增强;电流增大到本文中的工作电流150 MA时,光谱曲线明显呈现出激光器单基侧模稳定激射.因此,在激光器激射工作之后,其工作条件稳定在弱折射率导引机制内,只存在模式竞争.当某阶模式获得的增益最大并稳定后,其就获得主导地位,能够压制其余阶数模式甚至只有其自身存在(某阶模式能否存在还要取决于其在波导中能否形成振荡).因为注入载流子呈“钟形”分布,与侧向基模更易于耦合,所以激光器在150 MA工作电流下产生稳定激射.从功率曲线图中150 MA电流附近,斜率效率有增大的现象,由此可以推断出激光器单模稳定工作可以保证激光器更为优秀的性能表现.稳定激射和斜率效率增大的现象可以在一定范围内保持稳定,但是,由于(1)式所体现的控制条件和图3所显示的变化过程,该现象在大的变化范围下不能得到维持.

图3 在25◦C温度条件下同一个激光器在不同工作电流下激射模式的竞争(a)激光器光功率电流电压曲线;(b)100 MA注入电流下激光器光谱曲线;(c)130 MA注入电流下激光器光谱曲线;(d)150 MA注入电流下激光器光谱曲线Fig.3.The lasing Mode coMpetition under diff erent working cu rrent at the teMperature of 25◦C:(a)P-I-V cu rve of the laser d iode;(b)spectruMof the laser diode by 100 MA cu rrent;(c)spectruMof the laser d iode by 130 MA current;(d)spectruMof the laser diode by 150 MA current.

在脊型波导量子阱半导体激光器中,平行于结平面方向各向同性,无势垒对载流子进行限制,因此,量子阱中的扩展电流严重.同时,在平行于结方向上建立弱的折射率波导(即脊型台)限制能力也相对有限,这样在限制层和波导层中也同样存在扩展电流.并且随着脊型台宽度的减小,电流扩展幅度更为明显,从而造成注入电流不集中,阈值电流增大,激射光斑变大.因此,本文设计了双沟隔离槽结构,不仅限制有源区电流扩展作用,减小阈值电流,而且避免在后续工艺封装过程中对器件带来损伤,进一步提高激光器输出功率和波长温度稳定性.激光器在一定温度范围内单基侧模稳定输出光谱曲线如图4所示,随着温度升高强度有略微下降,原因是温度升高后非辐射复合概率升高,缺陷增多,导致热效应明显,光输出减弱.如图4中波长与温度关系曲线所示,在更大的温度变化范围内激光器激射波长基本保持线性增加.本文所制备的激光器单基侧模强度可达30 dBm(1 dBm=10 lg(mW))左右,激射光谱半宽小于1 nm.激光器波长温度漂移量为0.25 nm/◦C.

图5为852 nm激光器远场光斑图像,从图中可以清楚地看到激光器激射为单基侧模还是多侧模状态.激光器的水平发散角为1.8◦,垂直发散角为14.9◦,半导体激光器性能有了明显提升.测试结果显示本文所设计的双沟槽结构对于激光器性能有显著的增强,包括阈值电流从100 MA减小到50 MA,提升了50%;输出光功率从平均50mW增到72mW,提升了44%;斜率效率从平均0.6mW/MA增加到0.7mW/MA,提升了17%.

图5 (网刊彩色)激光器远场光斑及远场发散角Fig.5.(color on line)Laser far field spot and divergence angle:single fundaMental lateralMode far field spot.

4 结论

本文基于波导理论,通过等效折射率方法对模式控制进行分析,设计并制备了非对称波导隔离双沟结构的852 nm脊型波导边发射激光器单管器件,最终实现了激光器在一定范围内的单基侧模稳定输出,并且激光器阈值电流为50 MA,平均斜率效率0.7mW/MA以上,最高可达0.89 mW/MA.

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(Received 7 Sep teMber 2016;revised Manuscrip t received 30 January 2017)

PACS:42.55.Px,42.60.Fc,42.62.–bDOI:10.7498/aps.66.084205

*Pro ject supported by the Foundation of Based Technology,China(G rant No.YXBGD 20151JL01),the National Natu ral Science Foundation of China(G rant Nos.61575008,60908012,61376049,61076044,61107026,61204011),the Natu ral Science Foundation of Beijing,China(G rant Nos.4172011,4132006,4102003,4112006),and the Scientifi c Research Fund Pro ject of Municipal Education ComMission of Beijing,China(G rant No.KM201210005004).

†Corresponding author.E-Mail:gb l@b jut.edu.cn

A low th reshold sing le transverse Mode 852 nMseMiconductor laser d iode∗

Liu Chu Guan Bao-Lu†MiGuo-Xin Liao Yi-Ru Liu Zhen-Yang Li Jian-Jun Xu Chen

(Key Laboratory ofOpto-Electronics Technology Ministry of Education,College of Electronic Science and Technology,Facu lty of InforMation Technology,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)

A 852 nMridge waveguide edge eMitting laser has iMportant app lications.But lateralMode instability leads to its poor beaMquality because of its ridge structure.Such a structure gives rise to two guidanceMechanisMs(gain-guide and index-guide),whose change leads to“kink”eff ect.So,the controlof the single fundamental lateralmode ismore diffi cult.There is no well-inforMed study in these aspects for ridgewaveguide edge eMitting lasers.In this paper we study how to iMprove the beaMquality for achieving a stable fundamental lateralmode output experimentally.We are to investigate the influence of lateralMode characteristics of the laser w ith diff erent ridge depth-to-w id th ratios in detail by waveguide theory and equivalent refractive index Method.Depth and w idth of the ridge are two key paraMeters infl uencing lateral mode.The depth can control lateral guidancemechanism,and the w idth can control lateralmode order.We find that the ratiomust be in a liMited range to ensure the single fundaMental lateralMode steady.Through theoretical analysis of waveguide theory and equivalent refractive index Method,we obtain a liMited range of depth-to-w idth ratio.Then we conduct an experimental coMparison,where we ad just the ridge depth,w ith the w idth fixed,to control the ratio.Meanwhile we iMprove the fabrication technology to ensure the accuracy of the structure.We design and fabricate an asymMetric waveguide ridge waveguide edge eMitting laser w ith isolation grooves,whose active region is the core of asymmetric waveguide epitaxy structure.The key structural parameters are 5µMin ridgew id th,500 nMin ridge depth,2µMin isolation grooves depth,10µMin w id th,30µMin spacing between the grooves,and 1 mMin cavity length.Isolation grooves are very useful for iMproving the performance of the laser:threshold decreased by 50%,output power raised by 44%,and slop effi ciency increased by 17%.And the equally crucial role of grooves is to avoid being daMaged at packaging process to Maintain laser structure.Finally we achieve a stab le single fundaMental lateralMode output and an accurate tuning wavelength at 852 nMof ridge waveguide edge eMitting laser w ithout cavity surface coated at working current 150 MA,working teMperature 30◦C(working conditions can be changed in a sMall range).The slope effi ciency is on average 0.7 mW/MA(itsMaximuMvalue is 0.89 mW/MA),and the full wave at halfMaximuMis less than 1 nm.A lthough we iMp rove the performance of ridge waveguide edge eMitting laser and beaMquality for stable output,there is still a need to further study the stab le output over a w ide range.The results in this paper w ill provide a useful reference for realizing the stable output ridge waveguide edge eMitting lasers and the ultra-narrow line-w id th lasers.

ridge waveguide edge eMitting laser,lateralmode,mode stability

10.7498/aps.66.084205

∗半导体激光器产业化技术基金(批准号:YXBGD 20151JL01)、国家自然科学基金(批准号:61575008,60908012,61376049,61076044,61107026,61204011)、北京市自然科学基金(批准号:4172011,4132006,4102003,4112006)和北京市教育委员会基础技术研究基金(批准号:KM201210005004)资助的课题.

†通信作者.E-Mail:gb l@b ju t.edu.cn

©2017中国物理学会C h inese P hysica l Society

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