基于周期性电极的窄条单纵模674 nm半导体激光器

单肖宁， 张 晶， 韩金樑， 张万里， 单肖楠*

(1. 长春理工大学 理学院， 吉林 长春 130022； 2. 长春理工大学 外国语学院， 吉林 长春 130022；3. 吉林省长光瑞思激光技术有限公司， 吉林 长春 130033)

1 引 言

单纵模半导体激光器具有良好的光谱特性以及相干特性，所以被广泛应用于碱式原子钟或光纤激光器的高效泵浦源[1]、精确的气体传感和光谱学检测[2]、机器人视觉应用中的相干光检测与测距[3]、高速伺服控制回路与光纤故障检测[4]、空间激光通讯等领域[5]。

相比于808 nm和980 nm等常见波长单纵模半导体激光器，67x nm单纵模半导体激光器的相关报道甚少。主要是由于67x nm半导体激光器的波长相对较短，光子能量相对较高，所以器件在高功率下工作时稳定性较差，比如会出现腔面烧毁等现象[6]。对于增益波长为67x nm的外延材料，其有源区和限制层之间的带隙差较小，所以对于注入载流子的限制能力较弱，此时容易产生泄露电流。这会降低半导体激光器的转换效率以及内量子效率，同时会降低激光器的特征温度，使器件对温度的敏感度变高[7]。这些因素都极大地增加了67x nm单纵模半导体激光器的制作难度。目前，67x nm激光器的主要应用领域是Li6和Li7的同位素分离以及可见光通信上。

2018年，德国FBH研究所使用电子束光刻技术和二次外延技术制作了一种基于40阶表面光栅的670 nm单纵模半导体激光器[8]，实现了边模抑制比高达50 dB的单纵模激射。他们在器件中使用了电子束曝光技术，该技术精度高，但是花费时间较长，且器件制作工艺复杂，成本高昂，这在很大程度上限制了670 nm单纵模半导体激光器的大规模生产及应用。因此如何对器件结构进行精心设计、通过简单工艺过程来获得67x nm单纵模半导体激光器是一项重大挑战。

为了解决这些问题，我们提出了一种无需二次外延、低成本的周期性电极的窄条形674 nm半导体激光器来实现单纵模工作。仅使用i线光刻技术和普通的刻蚀技术制作的周期性沟槽增强了量子阱中载流子密度的对比度，从而增加了量子阱中增益的对比度，周期性电极会使器件中形成周期性的电流分布，在没有有效折射率耦合效应的情况下使得量子阱中形成增益耦合机制，实现了单纵模激光的输出。当注入电流为85 mA、测试温度18 ℃时，激光器的输出功率为2.603 mW。 当注入电流为60 mA时，在不同测试温度下，器件均保持单纵模工作。当室温为16 ℃时，测得器件的光谱线宽可达到2.42 pm，边模抑制比为47 dB。 我们所提出的仅使用简单工艺的器件结构能有效地降低单纵模激光器的制造成本，适合大面积制备，能有效地降低器件成本，具有广泛的应用前景。

2 激光器结构及制备

图1是周期性电极窄条半导体激光器的示意图。如图所示，它是在脊型法布里-珀罗激光器结构的基础上制作，在脊型波导上刻蚀周期性的表面绝缘沟槽结构，沟槽部分蒸镀了二氧化硅绝缘薄膜进而形成绝缘层(如图1(c)所示)，但凸起部分(即未刻蚀部分)则进行正常的电极口制备形成欧姆接触，进而形成周期性电极结构(如图1(c)所示)，实现了周期性的电注入。刻蚀沟槽增强了量子阱中载流子密度的对比度，从而增加了量子阱中增益的对比度，周期性电极使器件中会形成周期性的电流分布，在没有有效折射率耦合效应的情况下使得量子阱中形成增益耦合机制，进而对激光器的光谱进行调控，实现单纵模激光输出。

图1 (a)周期性电极窄条半导体激光器的结构图;(b)周期性电极窄条半导体激光器的部分结构及各层材料示意图;(c)周期性电极的横截面示意图。

Fig.1 (a) Structure diagram of periodic electrode narrow-strip laser. (b) Partial structure diagram of periodic electrode narrow-strip laser and schematic diagram of each layer. (c) Cross-section schematic of periodic electrode.

为了减少周期性沟槽所引入的折射率耦合效应，本文设计的器件的折射率耦合系数必须小到可以直接忽略的程度。耦合系数k的理论计算公式如下[9]：

(1)

其中，L是激光器的腔长，本文设计为1 mm，Λ是增益耦合光栅的周期，Δn是波导中折射率的变化，neff是光栅区域的有效折射率。

为了使折射率耦合系数足够小，根据公式(1)可知我们需要设计足够大的光栅周期Λ及足够小的折射率变化Δn。本文中腔长L设计为1 mm；光栅周期Λ设计为9.02 μm(与折射率耦合高阶布拉格光栅分布反馈激光器的250 nm 光栅周期相比[10-11]，我们所设计的光栅周期是足够大的)；我们使用商业软件COMSOL 计算了芯片未蚀刻部分的有效折射率为3.357 8，刻蚀沟槽区域的有效折射率为3.357 6，折射率的变化Δn为二者之差0.000 2，也是足够小的。根据公式(1)以及上述数据我们计算出周期性电极窄条半导体激光器的耦合系数k只有0.007。目前所报道的高阶布拉格光栅激光器的耦合系数k≈0.3，折射率耦合分布反馈激光器的耦合系数k>1[12-14]，相比上述所报道的耦合系数，我们设计的结构的折射率耦合系数足够小，对于所设计的周期性电极窄条半导体激光器可以确保其在增益耦合机制下工作，因为它的折射率耦合效应已经小到可以忽略不计的程度，进而保证单纵模激光输出。

本文制作的激光器的芯片具体结构如表1所示，由金属有机气相沉积外延技术生长而成。器件采用在674 nm处发射的AlGaInP/GaInP量子阱作为增益材料。增益耦合光栅结构的周期为9.02 μm，其中沟槽长度为6 μm。在外延生长之后，在芯片上使用i线光刻法制作周期性沟槽结构，然后使用电感耦合等离子体技术刻蚀沟槽的深度至600～700 nm。周期性沟槽结构形成后，使用i线光刻6 μm宽的脊型波导，并在沟槽两侧使用湿法刻蚀技术刻蚀至800～900 nm深。周期性沟槽及脊型波导结构的扫描电镜图像如图2所示。然后，利用等离子体增强化学气相沉积技术在芯片表面沉积了一定厚度的SiO2绝缘层介质材料，用作电绝缘层，利用i线光刻技术在凸起部分光刻2 μm正方形周期性电极口的图形，然后使用干法刻蚀掉电极口上的SiO2层，形成周期性电极窗口。与先前报道的670 nm激光器相比，本文提出的670 nm周期性电极窄条半导体激光器制作相对简单，仅需使用i线光刻技术和普通的刻蚀技术，器件的稳定性较高，适于大规模生产。

表1 使用的半导体芯片的外延结构

图2 周期性沟槽结构的扫描电镜图像

Fig.2 Scanning electron microscopy image of periodic trenchs structure

周期性电极结构形成后，进行P面金属电极蒸镀，然后进行减薄抛光，之后再进行N面电极蒸镀。然后，芯片被解理至1 mm腔长的器件。最后将器件P面朝上安装在简单的COS热沉上，再将COS模块与TEC散热片集成封装到蝶形管壳中，外接一台TEC温控设备，保证激光器测试时温度的精确控制。本文所制作的器件没有镀膜。如果器件镀膜，那么利用增益耦合原理，可以通过AR/HR镀膜进一步提高功率；同时镀膜并不会影响增益耦合器件的单模成品率。

3 测试结果及讨论

图3为测得的连续波操作下不同温度的功率-电流特性曲线，在测试过程中，我们使用斜角测试来防止外部光的影响。 如图3所示，激光器的阈值电流在不同温度下均接近50 mA，小于目前报道的670 nm单纵模激光器的阈值电流80 mA[8]。注入电流为85 mA、测试温度18 ℃时，激光器的输出功率最大，为2.603 mW，测得器件的斜率效率为80 mW/mA。

图3 不同温度下激光器的功率-电流特性

Fig.3 Power-current characteristics of laser at different temperatures

在连续注入电流条件下,我们使用了横河AQ6370C光谱分析仪分别测试了周期性电极窄条半导体激光器在注入电流60 mA时不同温度下的光谱特性，如图4所示。在图4中，我们看到固定注入电流60 mA、测试温度由10 ℃升高至20 ℃的过程中，激光波长整体呈现红移趋势，红移速率约为0.16 nm/℃。

从图4中我们还可以看到该器件在不同温度条件下都得到了一个稳定的单纵模激光输出。我们通过FP干涉仪测量得到线宽。其中图4(d)显示在16 ℃时，器件的边模抑制比最大为47 dB(大于所报道的单纵模纳米光栅激光器的边模抑制比[15-16])，此时测得器件的光谱线宽为2.42 pm(小于所报道的表面高阶折射率耦合光栅激光器的10 pm线宽[17])。图4(f)显示在20 ℃时，器件的边模抑制比最小为33 dB，仍为单纵模输出，此时测得器件的光谱线宽为3.46 pm。

图4 周期性电极窄条半导体激光器在注入电流60 mA、不同温度下的光谱特性。(a)T=10 ℃；(b)T=12 ℃;(c)T=14 ℃;(d)T=16 ℃;(e)T=18 ℃;(f)T=20 ℃。

Fig.4 Spectral characteristics of periodic electrode narrow-strip laser at different temperatures, when the injection current is 60 mA.(a)T=10 ℃. (b)T=12 ℃.(c)T=14 ℃. (d)T=16 ℃. (e)T=18 ℃. (f)T=20 ℃.

图5显示了对应注入电流60 mA时不同温度单纵模激光输出的光谱线宽情况。由图5可以看出在16 ℃时，测得器件的光谱线宽最小为2.42 pm(小于所报道的表面高阶折射率耦合光栅激光器的10 pm线宽[17])。在20 ℃时，测得器件的光谱线宽最大为3.46 pm，随着温度的升高，热积累增加，导致激光单色性减弱，线宽增大。由于FP干涉仪的精度在百MHz数量级，我们认为在该范围内测得的线宽已经小于测量精度，所以线宽性质会随着温度升高而上下起伏。

图5 周期性电极窄条半导体激光器在注入电流60 mA、不同温度下的线宽变化。

Fig.5 Linewidth change of periodic anodes narrow-strip laser at different temperatures, when the injection current is 60 mA.

4 结 论

本文提出了一种周期电极的窄条形674 nm半导体激光器结构来实现单纵模工作。无需二次外延技术、电子束光刻技术以及纳米光栅制作，仅使用i线光刻技术和普通的刻蚀技术制作的周期性沟槽增强了量子阱中载流子密度的对比度，从而增加了量子阱中增益的对比度，周期性电极会使器件中形成周期性的电流分布，在没有有效折射率耦合效应的情况下使得量子阱中形成增益耦合机制，实现了单纵模激光输出。当注入电流为85 mA、测试温度18 ℃时，激光器的输出功率为2.603 mW。 当注入电流为60 mA时，在不同测试温度下，器件均保持单纵模工作。当室温为16 ℃时，测得器件的光谱线宽可达到2.42 pm，边模抑制比为47 dB。 本文提出的仅使用简单工艺的器件结构可以有效地降低单纵模激光器的制造成本，具有广泛的应用前景。