n-ZnO/p-AlGaN LED結(jié)構(gòu)DFB激光器的設(shè)計(jì)與分析

王 斐，胡芳仁，陳凱文，潘凌楠

（南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院，南京 210046）

n-ZnO/p-AlGaN LED結(jié)構(gòu)DFB激光器的設(shè)計(jì)與分析

王 斐，胡芳仁，陳凱文，潘凌楠

（南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院，南京 210046）

根據(jù)嚴(yán)格耦合波理論和介質(zhì)平板波導(dǎo)理論，利用Comsol Multiphysic軟件仿真設(shè)計(jì)了基于單晶n-Zn O/p-AlGaN LED（發(fā)光二極管）結(jié)構(gòu)的DFB（分布反饋）半導(dǎo)體激光器的光柵結(jié)構(gòu)。針對(duì)LED結(jié)構(gòu)加電壓后發(fā)射近紫外光，分析了二維電場(chǎng)模式分布圖，得出單縱模傳輸隨著光柵不同參量的變化情況。分析表明，在4 V正向偏置電壓下，當(dāng)占空比為50%、光柵周期為109.2 nm、光柵高度為69.8 nm時(shí)。，光譜線寬窄、單模選擇性好，電場(chǎng)模達(dá)5.877 4×107V/m。為電泵浦DFB半導(dǎo)體激光器的設(shè)計(jì)與加工提供了一定的基礎(chǔ)

發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)；分布反饋半導(dǎo)體激光器；氧化鋅；電泵浦

0 引言

DFB（分布反饋）半導(dǎo)體激光器由于其窄線寬、高SMSR（邊模抑制比）、低啁啾等特性，迅速成為高速、大容量、長(zhǎng)距離光通信和相干光通信的關(guān)鍵器件，也是光通信的首選光源。

Zn O基發(fā)光器件雖然有良好的發(fā)展前景，但穩(wěn)定、可控的p型摻雜Zn O一直難以實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致目前對(duì)ZnO基同質(zhì)結(jié)LED（發(fā)光二極管）的研究仍舊進(jìn)展緩慢［1-2］，利用其他p型半導(dǎo)體材料來(lái)與n型Zn O構(gòu)造異質(zhì)結(jié)器件成為另外一條可選路徑。因此本文提出了利用單晶n-Zn O和p-AlGa N的異質(zhì)結(jié)，為解決Zn O基p/n結(jié)提供了一種新方法。本文將電泵浦發(fā)光與DFB激光器相結(jié)合，使某些特定波長(zhǎng)在特定角度方面產(chǎn)生共振得到增益，選擇相應(yīng)頻譜的激光輸出，形成一定波長(zhǎng)的單模DFB激光器。目前基于光泵浦的DFB激光器已經(jīng)陸續(xù)得到報(bào)道［3-4］，但電泵浦的Zn O基DFB激光器還未見報(bào)道。

本文根據(jù)嚴(yán)格耦合波理論和介質(zhì)平板波導(dǎo)理論對(duì)光波在周期性均勻光柵中的傳播進(jìn)行計(jì)算，從而分析光波在DFB激光器中的傳播；在異質(zhì)結(jié)加電壓發(fā)光之后，根據(jù)其發(fā)光峰值波長(zhǎng)（389.1 nm）設(shè)計(jì)了基于單晶n-Zn O/p-AlGa N LED結(jié)構(gòu)的DFB半導(dǎo)體激光器的光柵結(jié)構(gòu)，通過對(duì)均勻光柵的周期、占空比以及光柵高度等參量的仿真，找出了該光柵結(jié)構(gòu)的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 理論模型

根據(jù)光柵的電磁場(chǎng)理論建立麥克斯韋方程組，從而得到嚴(yán)格矢量耦合波理論［5］，再通過介質(zhì)平板波導(dǎo)理論計(jì)算出光柵的結(jié)構(gòu)。本文只討論單模傳輸特性。光的傳播遵循電磁波的波動(dòng)方程

式中，k為波數(shù)；E為電場(chǎng)強(qiáng)度。含有布拉格光柵的波動(dòng)方程可以寫為式中，E為x和z的函數(shù)；k0為真空波數(shù)；n（x，z）= n0+Δn（x，z），n0為光柵區(qū)兩種材料折射率的平均值，Δn（x，z）為折射率沿z方向的周期性函數(shù)，且，布拉格波數(shù)βB= mπ/Λ，其中，m為光柵階數(shù)，Λ為光柵周期。式（2）的通解可以表示為

式中，u（x）為x方向光場(chǎng)；β=k0neff，neff為介質(zhì)等效折射率；A（z）為前向波即為入射波，B（z）為后向波。只有滿足布拉格反射條件的波長(zhǎng)才能在介質(zhì)中形成振蕩并實(shí)現(xiàn)單縱模的傳輸。將式（3）代入（2）中，得到耦合波方程組

κ的大小與光柵的級(jí)數(shù)、形狀、深度和占空比等因素有關(guān)。本文中取光柵級(jí)數(shù)為1，即為均勻光柵。

圖1所示為DFB激光器光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖。圖中，H為光柵高度，H_t為增益層厚度，d為光柵厚度，Λ為光柵周期。單晶n-Zn O/p-AlGaN LED結(jié)構(gòu)加上電壓后發(fā)光，光波在作為諧振腔的光柵中震蕩傳播，某些特定波長(zhǎng)在特定角度方面將產(chǎn)生共振得到增益，選擇相應(yīng)頻譜的激光輸出，形成一定波長(zhǎng)的單模DFB激光器。DFB激光器的布拉格條件為

圖1 DFB激光器光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)分析

2.1 光柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過對(duì)單縱模輸出條件及neff的計(jì)算，設(shè)計(jì)了DFB半導(dǎo)體激光器的光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1所示。

表1 DFB半導(dǎo)體激光器光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)

異質(zhì)結(jié)的閾值電壓為3.2 V［6］，本文選擇4 V正向電壓，電流為60 m A。使用表1的參數(shù)，用Comsol 4.2a軟件對(duì)此過程進(jìn)行仿真。

以東京電波公司最新生產(chǎn)的Zn O單晶為樣品，測(cè)得其發(fā)光區(qū)間為380～389 nm。n-Zn O/p-A1Ga N異質(zhì)結(jié)界面對(duì)電子產(chǎn)生了明顯的阻擋作用，使得載流子復(fù)合中心轉(zhuǎn)移到了Zn O一側(cè)，實(shí)現(xiàn)了Zn O的近紫外電致發(fā)光，因此設(shè)計(jì)波長(zhǎng)為389.1 nm。器件電場(chǎng)模達(dá)5.877 4×107V/m。由此表明，布拉格光柵對(duì)整個(gè)器件的光場(chǎng)起到了調(diào)制作用，選出了符合設(shè)計(jì)參數(shù)的波長(zhǎng)并產(chǎn)生諧振，起到了正反饋的作用。圖2所示為對(duì)波長(zhǎng)在388.5～389.5 nm之間進(jìn)行掃描的電場(chǎng)模式圖，步長(zhǎng)為0.02 nm。由圖可知，該線的諧振線寬達(dá)0.025 nm，滿足窄線寬要求，且在其他波長(zhǎng)段電場(chǎng)模非常之小，體現(xiàn)出良好的單模選擇性。

圖2 電場(chǎng)模式圖

2.2 周期、高度和占空比的影響

布拉格光柵的周期Λ、占空比以及光柵高度H均會(huì)對(duì)DFB激光器的傳輸產(chǎn)生重要影響。圖3所示為不同Λ時(shí)DFB激光器電場(chǎng)模隨波長(zhǎng)的變化情況?？梢钥闯?，當(dāng)Λ≠109.2 nm時(shí)，電場(chǎng)模非常低，而當(dāng)Λ=109.2 nm時(shí)，電場(chǎng)模很高，驗(yàn)證了激光器的布拉格條件，合適的光柵周期可以使激光器具有選模特性。圖4所示為DFB半導(dǎo)體激光器電場(chǎng)模隨Λ的變化情況，由圖可知，雖然Λ變化的步長(zhǎng)僅為0.1 nm，但電場(chǎng)模的變化非常大，可見電場(chǎng)模對(duì)光柵周期的變化比較敏感，靈敏度高，選模效果好。

圖3 不同光柵周期的DFB半導(dǎo)體激光器電場(chǎng)模隨波長(zhǎng)的變化情況

圖4 DFB半導(dǎo)體激光器電場(chǎng)模隨光柵周期Λ的變化情況

圖5所示為不同光柵高度的DFB半導(dǎo)體激光器電場(chǎng)模隨波長(zhǎng)的變化情況。當(dāng)H=69.8 nm，激射波長(zhǎng)在389.16 nm處時(shí)，電場(chǎng)模取得最大值，達(dá)5.877 4×107V/m。當(dāng)設(shè)計(jì)的光柵高度降低0.2 nm時(shí)，激射波長(zhǎng)會(huì)藍(lán)移0.16 nm，而高度增加0.2 nm時(shí)，激射波長(zhǎng)紅移約0.16 nm，諧振峰之間間隔均勻。圖6所示為DFB半導(dǎo)體激光器激射波長(zhǎng)隨光柵高度的變化情況。由圖可知，光柵高度和諧振峰波長(zhǎng)呈線性關(guān)系。

圖5 不同光柵高度的DFB半導(dǎo)體激光器電場(chǎng)模隨波長(zhǎng)的變化情況

圖6 DFB半導(dǎo)體激光器激射波長(zhǎng)隨光柵高度H的變化情況

圖7所示為不同占空比DFB半導(dǎo)體激光器電場(chǎng)模隨著波長(zhǎng)的變化情況。由圖可見，當(dāng)占空比F=0.5時(shí)，諧振效果最好，激射波長(zhǎng)為389.16 nm，并且線寬小至0.025 nm，單模選擇性好。

圖7 不同占空比DFB半導(dǎo)體激光器電場(chǎng)模隨波長(zhǎng)的變化情況

以上仿真結(jié)果表明，本文對(duì)基于單晶n-Zn O/p-AlGa N LED結(jié)構(gòu)的DFB半導(dǎo)體激光器的設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果基本一致，并獲得了最佳光柵結(jié)構(gòu)，當(dāng)光柵高度H=69.8 nm，Λ=109.2 nm，均勻光柵占空比F=0.5時(shí)，可以獲得非常好的諧振特性和單縱模傳輸特性。

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)嚴(yán)格耦合波理論和介質(zhì)平板波導(dǎo)理論，設(shè)計(jì)了基于單晶n-Zn O/p-AlGa N LED結(jié)構(gòu)的DFB半導(dǎo)體激光器，并根據(jù)異質(zhì)結(jié)發(fā)出的近紫外光，設(shè)計(jì)了光柵結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明，本文的設(shè)計(jì)顯示出了良好的諧振效果和單縱模輸出特性，對(duì)今后制作LED結(jié)構(gòu)電泵浦DFB半導(dǎo)體激光器有指導(dǎo)意義。

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Design and Analysis of the DFB Laser Based on n-ZnO/p-AlGaN LED

WANG Fei，HU Fang-ren，CHEN Kai-wen，PAN Ling-nan
（School of Optoelectronic Engineering，Nanjing University of Posts&Telecommunications，Nanjing 210046，China）

According to the rigorous coupled-wave theory and medium slab waveguide theory，the structure of Distributed Feed Back（DFB）semiconductor laser based on single-crystal n-ZnO/p-AlGaN Light Emitting Diode（LED）structure is simulated and designed by the Comsol Multiphysic software.The distribution of a two-dimensional electric mode is analyzed with near-ultraviolet light emission at the applied voltage of 4 V on the n-Zn O/p-AlGaN LED structure.The variation of the single longitudinal mode with different parameters of the grating is obtained.Also，the simulation results show that the electric field mode reached 5.877 4×107V/m with narrow spectral linewidth and preferable mode selectivity under the condition of the duty ratio of 50%，grating period of 109.2 nm and the grating height of 69.8 nm.The results in the paper provide a foundation for the design and processing of electrically pumped DFB semiconductor laser.

LED structure；DFB semiconductor laser；ZnO；electrically pump

TN248

A

1005-8788（2016）03-0053-03

10.13756/j.gtxyj.2016.03.017

2016-01-29

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61274121，61574080）

王斐（1991-），男，江蘇南京人。碩士研究生，研究方向?yàn)楣怆姽δ懿牧吓c器件。