1.55 μm脊波導大功率DFB激光器的研究

魏樹威, 朱 堯, 周志強, 黃楚云

(1 湖北工業大學理學院, 湖北 武漢 430068; 2 武漢敏芯半導體股份有限公司, 湖北 武漢 430068)

激光作為光纖通信系統中信息傳輸的載體,隨著信息時代的發展而受到越來越多的關注。對于產生激光的光源,半導體激光器以其易于集成、電光轉換效率高、可靠性高等優點,得到了越來越多的應用。由于光纖傳輸自身存在一定的損耗,在應用上,我們不僅需要發射的激光波段盡量匹配光纖的低損耗窗口[1],也需要注意提高激光器的輸出功率以滿足實際應用需求。本文研究的即是1550 nm的大功率激光器。

目前對波長較短的大功率激光器的研究相對更多,而對在1550 nm光譜范圍內發射的大功率半導體激光器,僅有少數相關研究團隊與商業公司做過成果報告[2-5]。這是因為隨著激光器激射波長的增加,器件熱效應會更加明顯,價帶間吸收也會受影響加重,導致輸出功率功率降低[6]。為保證在長波長下的大功率輸出,不僅需要對器件結構做合理的優化,也需要保證器件在高溫狀況下工作的穩定性。

本文從理論分析出發,研究設計了兩種結構的大光腔脊波導DFB芯片,并分別選取了不同腔長的器件測試其PI曲線、遠場強度曲線及功率受溫度的影響表現,并對測試結果進行了一定的分析比較。從這些角度來表征大功率含鋁InP激光器的輸出特性,并基于研究結果提出了大功率激光器在結構設計上的一些優化方案。

1 設計結構及特點

DFB激光器波導設計一般采用脊波導或者掩埋異質結兩種波導結構。相較于掩埋異質結結構,脊波導具有結構及工藝流程簡單、制造成本低等優點,且可以減小芯片的RC常數,有效降低芯片中的各項寄生參數[7]。本文設計的芯片均采用脊波導結構設計。

在激光器的外延設計中,通常會采用非對稱的波導結構。由于器件外延層中p側區域對器件內部的光損耗更大,而非對稱波導結構能夠將光場擴展到n側,減少其與p摻雜區域的重合,從而達到了提高輸出功率的效果[8-9]。目前常用的非對稱波導設計有三種形式,分別為:有源區上下限制層不對稱、插入非對稱波導層、插入多層結構的光束擴展層[10-11]。本文采用前兩種結構設計,制作了相應的芯片樣品并進行測試比較。兩種結構的部分示意如圖1所示(左側為A組加厚n側限制層設計,右側為B組多加了一個n側波導層設計)。

圖1 兩種芯片部分外延結構示意圖

兩組芯片均是先在InP基底上生長如圖所示部分結構,然后在其上再繼續生長腐蝕停止層、光柵層及脊結構部分,形成不同結構的DFB激光器芯片。兩組芯片的有源區均由3個壓縮應變InAlGaAs量子阱和4個拉伸應變In0.456Al0.206Ga0.338As勢壘組成,主要區別在于,A組芯片的n側限制層加厚至0.54 μm,并僅在p側限制層通過改變Al的含量形成梯度折射分離約束結構,通過不對稱的限制層結構將光場擴展到n側;而B組芯片在n側限制層外多生長了一個n摻雜波導層,并且芯片有源區兩側限制層均采用梯度折射分離約束結構,形成不對稱的波導結構。由于InAlGaAs材料比相同帶隙的InGaAsP材料有更小的折射率[12],故含Al波導層設計不僅對載流子有很強的限制,也對光場提供了良好的光學限制。

兩種外延結構均通過形成非對稱波導,來抑制大光腔結構可能導致的高階模激射現象;并且由于p側空穴對光的吸收損耗更強,而光場因為非對稱結構被擴展到n側,降低了光子的吸收內損耗,有利于抑制包層中的非輻射重組影響,提高了器件的電光轉換效率[13]。

2 測試結果

針對兩組不同設計結構的器件,分別選取了部分芯片進行測試。圖2和圖3分別是針對500～1200 μm腔長的兩種芯片的功率測試結果。

圖2 A組芯片不同腔長對輸出功率影響

圖3 B組芯片不同腔長對輸出功率影響

可以觀察到,當腔長較小時,在較高電流注射下,芯片會有比較嚴重的熱飽和現象,從而影響其輸出功率;而當腔長加長到800 μm時,兩組芯片在500 mA電流下均還未出現熱飽和。這是由于腔長較小時,芯片的內阻熱阻較大,加劇了器件的熱積累;而長的器件腔長雖然可以有效降低器件的阻抗,但是也會提高芯片的閾值電流并影響其斜率效率,使得芯片最大輸出功率下降[14]。對于相同腔長的芯片,B組在相同輸入電流下的功率比A組更小。

樣品芯片的閾值電流均隨腔長增長而逐漸增大,且兩種芯片均在800～900 μm腔長時能獲得最大輸出功率。考察芯片的電光轉換效率,對于A組芯片,斜率效率在腔長為800 μm時最大,為0.347,而B組芯片的斜率效率在500 μm腔長時最大,為0.285。且相同腔長條件下,A組芯片的斜率效率一般均優于B組,這說明A組的電光轉換效率相較于B組更優。

圖4為分別選取兩組實驗芯片的600、800、1000 μm腔長的樣品,測試其在500 mA工作電流下的遠場特性曲線,其橫軸為發散角角度,縱軸為光場相對強度。可以觀察到,兩組芯片的水平發散角都差不多,在16°～18°左右,但相較于A組實驗芯片,B組芯片在垂直方向上的發散角明顯更小,B組芯片的垂直發散角約為23°～25°,A組的為46°～ 47°。這表明B組芯片的光斑尺寸相較于A組更大。分析其原因應是B組芯片在n側插入的波導層使更多的光被擴展到了下包層,從而擴大了激光器的近場分布,減少了垂直光束的發散。

圖4 部分腔長芯片的遠場發散角測試

圖5顯示了在不同溫度條件下的不同腔長芯片的輸出曲線變化情況。圖5a-d中分別為A組芯片不同腔長在25℃、45℃、65℃、85℃時的PI特性曲線,圖5e-f為B組的測試結果。從圖中可以觀察到,芯片的輸出功率在不同溫度下隨腔長變化的規律一致。當腔長較小時,芯片輸出功率受溫度影響更大,500 μm腔長的兩種芯片在85℃時的輸出功率不足常溫下的一半;當腔長較長時,芯片輸出功率的下降較小。并且,隨著溫度的升高,我們可以明顯觀察到芯片的閾值電流均隨著溫度的升高而增大。這是因為當器件有源區溫度升高時,熱電子將更容易從量子阱進入勢壘和波導層參與復合,降低了芯片的內量子效率,從而影響其最大輸出功率[15]。

圖5 部分腔長芯片在不同溫度下的PI曲線

對半導體激光器,其串聯電阻主要是由襯底電阻及P型波導層串聯電阻決定;而除電阻外,熱阻也常常是影響激光器輸出性能的重要因素,低的熱導將會提高器件內損耗。

考察圖6芯片的UI曲線,可以通過對芯片的UI曲線進行線性擬合以得到芯片在當前溫度下的阻值。結果表明,兩組芯片在相同條件下的阻值相差不大,且其阻值隨溫度變化也不明顯。

圖6 部分腔長芯片在不同溫度下的UI曲線

3 結論

為了設計出具有良好輸出特性的大功率激光器,采用InAlGaAs/InP材料制作了兩種非對稱結構的脊波導DFB激光器,并選取不同腔長樣品進行測試。測試結果表明兩種結構在適當腔長下均能實現高溫工作的穩定。采用加厚n側限制層形成非對稱結構的設計制作的DFB激光器在相同注入電流下能產生更高的功率,且光斑尺寸也更大,有利于光纖耦合。對800 μm腔長的A方案芯片,室溫條件下在500 mA輸入電流下的功率為155 mW,閾值電流約25 mA,基本滿足了目前市場對大功率激光器芯片的參數需求。實驗結果表明我們關于含鋁大功率DFB激光器的理論分析對結構外延的優化設計有很好的指導意義,為之后的進一步研究規劃了方向。