高光束質量垂直腔面發射激光器同相耦合陣列

許 坤，付林杰，鐘發成，杜銀霄*，荀 孟

(1.鄭州航空工業管理學院 理學院，河南 鄭州 450046；2.中國科學院 微電子研究所，北京 100029)

1 引 言

垂直腔面發射激光器(VCSEL)是一種理想的面發射光源，具有光束質量好、調制頻率高、單縱模、低閾值、易于實現片上測試、生產成本低等特點，得到了日益廣泛的應用[1]。與邊發射激光器相比，垂直腔面發射激光器的缺點是輸出功率較低。將激光器單元集成二維陣列可提高面發射激光器的輸出功率，但常規的陣列光束質量和光譜特性都不好。采用相干耦合陣列方法可獲得高功率高光束質量和高光譜質量的激光，為實現高性能高亮度激光源提供了一種手段[2-3]。一般來說，如果陣列每個單元的激光相位與其他單元同相，則整個陣列工作在同相模式下，便可以產生窄的光束。且陣列的發散角與陣列單元數成反比關系[4]，陣列規模較大時，光束質量更好[5]。

目前已有多種方法用來制作VCSEL相干耦合陣列。例如空氣隙和反射率調制[6-7]。然而，這樣的陣列往往工作在反相模式，其遠場上表現出中心強度最小值，因而在許多應用中受到限制。利用光子晶體耦合結構能夠實現陣列同向模式輸出，但是需要嚴格設計且制作光子晶體要求高的刻蝕精度[8]。腔誘導反波導結構能夠提供單元之間的強耦合，支持穩定的同相模式，但是在制作過程中需要二次外延的工藝，工藝難度較大，成本高[9]。近期出現的質子注入限制耦合VCSEL陣列方法工藝簡單。其中質子注入區域既能起到電流限制和單元間電隔離的作用，又有光耦合的作用。通過正確選擇質子注入深度和合適的耦合間距，便可以激射出同相陣列模式。1×2同相質子注入型陣列首先被Choquette等報道[10]。后來本課題組也報道了2×2、3×3同相耦合陣列[11-12]，實現了7單元陣列的大電流工作范圍的同相耦合輸出[13]。一維和二維陣列模式特性與間距的關系也已進行了研究[14]。在這些陣列中，陣列單元的注入電流是相同的。雖然我們的器件設計支持同相模式激射，但是在實際的測試中，反相模式及中間模式也會常常同時出現。這是因為外延結構和制作工藝的任何不均勻，都會造成單元的差異，引起相對相位差。因此，對單元相位的嚴格控制是獲得同相模式的重要條件，陣列的光束質量也會得到優化。

本文通過多次質子注入工藝使陣列單元間完全隔離，設計了新型電極實現單元內注入電流的分別控制。通過控制電流的分別注入，實現了3單元三角排列陣列的高光束質量同相模式的耦合輸出。

2 制備工藝

器件外延結構通過金屬有機物化學汽相淀積生長。共包含22.5對P型DBR和34.5對N型DBR.有源區包含3對 GaAs-Al0.3Ga0.7As 量子阱，激射波長為850nm。器件的制作工藝如下：首先，在外延片表面通過PECVD淀積3μm的二氧化硅，通過一步光刻工藝定義出單元圖形。通過ICP刻蝕，形成厚的質子注入的掩膜。之后進行關鍵的質子注入工藝，質子注入的劑量為1×1015cm-2，最大注入能量為315keV.為了達到單元間的完全絕緣效果，同時施加了多次小能量的疊加注入。為了使電流通過電極注入到單元內，我們在單元和電極區域淀積了金納米層，形成電極到各單元的電流注入通道。金納米層的引入會減小表面方阻，但是也會使透光率降低，考慮到二者的折中，在實驗中選取的金納米層的厚度約為4nm。之后在外延片正表面制備15/300nm的Ti/Au電極。減薄襯底至100μm左右，在外延片背面濺射50/300nm的AuGeNi/Au電極。陣列的單元設計為6μm的正方形。參考之前的實驗結果，單元間距設計為4μm來實現同相模式的輸出[14]。圖1為設計的3單元三角陣列的器件結構截面圖(A-A′方向)和實際的電極圖案。

圖1(a)雙電極陣列結構沿A-A′方向剖面圖；(b)實際的電極結構。
Fig.1(a)Dual electrode array along A-A′ direction profile.(b)Actual electrode structure.

3 測試結果與討論

首先對3個單元分別單獨進行電流注入，測試的P-I-V(光功率-電流-電壓)特性曲線如圖2所示。插入的近場圖分別對應3個單元注入電流為3.8，4.5，3.8mA時的激射情況。可以看出，只有對應的單元激射，意味著電流完全限制在相應的注入孔內。測試得到的電極間的電阻達到了6.5×106Ω，可以實現單元的有效絕緣。3個單元的閾值電流分別為3.3，4.25，3.5mA，串聯電阻分別為99.8，93.8，89.9Ω。在注入電流為5.0mA時，出光功率分別為0.648，0.278，0.650mW。由此可以看出3個單元存在明顯的差異。這主要是由于在制作過程中，不管是光刻工藝，還是ICP刻蝕工藝均存在不均勻性，這種不均勻性會造成器件的閾值、串聯電阻以及輸出功率的差異。如果3個單元注入電流相同，這些不均勻性會引起單元之間的相對相位差，無法保證陣列工作在同相模式下。單元間相位差的存在會造成遠場次光斑的能量比例增大以及軸向遠場峰值的偏移，影響光耦合效率。圖2(d)為3個電極同時注入相同電流時的測試結果。橫坐標為3個單元的注入電流總和，此時陣列的閾值電流為8mA，相對于3個獨立單元的閾值電流之和有所減小，我們認為這是由于光耦合有利于增益的提高。陣列串聯電阻為39.1Ω。注入電流為9mA下測試的二維和三維遠場圖案如圖3所示。實驗中所有的近場圖案通過光學顯微鏡與數字CCD連接測試，遠場由光束質量分析儀(Spiricon SP620)測試得到。從遠場中可以看到，軸向中心光斑稍向下偏移，旁邊的6個次光斑能量分布不均勻，而且次光斑的能量比例增大，中心光斑與次光斑的強度比大約為1.5∶1，中心光斑占總能量的比例為19%。

圖2 1×3陣列的1(a)、2(b)、3(c)號單元單獨注入電流和同時注入電流(d)的P-I-V特性曲線。Fig.2 P-I-V characteristic curves of 1(a), 2(b) and 3(c) unit with current injecting separately and the array with current injecting simultaneously(d).

半導體材料的折射率受溫度和載流子的雙重影響。一方面，器件工作時溫度升高會引起材料的折射率增大，改變量一般為?n/?T=4×10-4K-1，其中T為溫度。另一方面，載流子的注入會引起折射率減小，改變量一般為?n/?N=-10-21cm3，其中N為載流子濃度。因此，單元內注入電流的變化會引起單元內材料折射率的變化，從而引起單元內激射波長的改變，最終使激光相位改變。為了實現陣列各單元間的同相耦合，電流的注入通過分離電極控制，采用兩兩匹配的方式，通過電流的調節，讓每兩個單元的相位同相，最終獲得3個單元的同相位工作。圖4為測試的單元1、單元2和單元3在注入電流分別為3.2，2.8，3.1mA下的近場和遠場圖案。從近場圖案中看到，3個單元的光斑強度大致相同，在每兩個單元間出現了耦合的小光斑，代表了同相耦合模式的輸出。從遠場圖案看，強度最大值出現在軸向中心，周圍出現6個基本對稱的次光斑。陣列的能量主要集中在中心光斑，比例大概為25.6%。此時中心光斑的遠場發散角僅為3.4°，而相同結構的單個激光器的發散角為10°。大大減小的發散角體現了同相相干耦合陣列的優勢。圖5為測試的該陣列的激射光譜，可以看出只有1個峰值出現，沒有多余的模式激射，說明陣列工作在單模狀態。光譜的線寬為0.24nm，邊模抑制比為27dB。

圖3 測試陣列在9 mA電流下的近場(a)、二維(b)和三維(c)遠場圖案。Fig.3 Near field(a), two-dimensional(b) and three-dimensional(c) far-field patterns of the array at 9 mA, respectively.

圖4 三單元陣列在注入電流分別為3.2(a)，2.8(b)，3.1(c) mA下的近場和遠場圖案。Fig.4 Near field and far-field patterns of three cell arrays at 3.2(a), 2.8(b), 3.1(c) mA, respectively.

圖5陣列在單元1、單元2和單元3注入電流分別為3.2，2.8，3.1mA下的激射光譜。
Fig.5Lasing spectra of the array under unit1, unit2and unit3injection current of3.2,2.8,3.1mA, respectively.

從以上的測試結果可以得出，陣列單元之間的相位差可以通過注入單元電流的控制而改變。通常我們為了得到高光束質量的陣列，盡量使單元間的相位差為0，即各單元趨近于同相狀態。為了說明單元相位差對相干耦合陣列光束質量的影響，我們利用FDTD-solution軟件模擬了陣列遠場隨單元相位差的變化。建立陣列簡化的模型，模型包含有源區和DBR，模型尺寸與實際器件的尺寸一致。設定每個單元為直徑為6μm的圓形，單元間距為4μm。假設每個單元內有源區發出的激光為高斯光束光源，從有源區激射，通過P型DBR后進入空氣。在P型DBR與空氣界面處設置一個探測器，用來接收光場分布。邊界條件設定為完全吸收邊界條件，在X方向和Y方向上對稱。

圖6為模擬的不同的相位組合下，陣列的遠場分布圖案。模擬中設定的單元的相位也呈現在圖中，從模擬結果發現，當3個單元相位均設定為0即完全同相時，遠場的中心光斑才出現在軸向中心位置，中心光斑與周圍光斑的強度對比最大，此時耦合效率也最高。只要任何單元與其他單元出現相對相位差，中心光斑便會偏離軸向中心位置，周圍光斑的強度也會隨之增大，能量聚集在中心光斑的比例降低。可見，單元的相位控制對相干耦合陣列的光束質量有著重要的意義。實驗中通過電流的控制從而改變單元間相對相位的方法，在一定程度上能夠彌補制作工藝中帶給單元的不均勻性，對促進器件的實際應用有著重要的意義。

圖6 模擬的單元間相位差對陣列遠場特性的影響Fig.6 Influence of phase difference between arrays on far-field characteristics of array

4 結 論

制備了新型分離電極結構的3單元三角排列的質子注入型垂直腔面發射激光器相干耦合陣列。通過對每個電極注入電流的獨立控制，實現了對單元相位的分別控制，獲得了具有高光束質量的同相模式的激射。陣列遠場發散角僅為3.4°，大約有25.6%的全部能量聚集在中心光斑。光譜為單模激射，線寬為0.24nm，邊模抑制比為27dB。

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