1.3 μm InAs/GaAs 量子點(diǎn)側(cè)向耦合淺刻蝕分布反饋激光器

李齊柱, 伏 霞, 張子旸, 王 旭, 陳紅梅,侯春彩, 黃源清, 郭春揚(yáng), 閔嘉華

(1. 上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 上海200444;2. 國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心, 江蘇蘇州215163;3. 中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所納米器件與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇蘇州215123)

分布反饋(distributed feedback, DFB)激光器可以提供高的邊模抑制比(side mode suppression ratio, SMSR)、窄的發(fā)射光譜和穩(wěn)定的輸出波長, 因而已成為長距離光纖通信和波分復(fù)用系統(tǒng)的核心器件[1-2]. 基于InAs/GaAs 量子點(diǎn)(quantum dot, QD)的激光器具有很多優(yōu)點(diǎn), 如低的閾值電流、高的量子效率、優(yōu)良的溫度穩(wěn)定性. 量子點(diǎn)具有與原子類似的分立能級(jí)結(jié)構(gòu), 因而量子點(diǎn)中的載流子在3 個(gè)維度方向上都受到強(qiáng)烈的量子限制效應(yīng)[3-6]. 對(duì)量子點(diǎn)有源區(qū)進(jìn)行p 型調(diào)制摻雜, 可以提高量子點(diǎn)激光器的光學(xué)增益和閾值電流的溫度穩(wěn)定性. 此外,由于p 摻雜提高了量子點(diǎn)的微分增益, p 摻雜量子點(diǎn)激光器也具有較快的響應(yīng)速度[7-9].

制備GaAs 基DFB 激光器的傳統(tǒng)方法需要兩步高質(zhì)量的外延生長工藝: 第一步外延生長停止在波導(dǎo)層生長完成后, 緊接著在外延片上制備布拉格光柵; 然后必須進(jìn)行二次外延以完成激光器結(jié)構(gòu)的生長. Stubenrauch 等[1]通過分子束外延(molecular beam epitaxy, MBE)和金屬有機(jī)氣相沉積(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)兩步生長工藝, 制備了1.3 μm GaAs 基DFB 激光器, 實(shí)現(xiàn)了良好的器件性能. 雖然通過這種二次生長方法制備的DFB 激光器可以獲得較好的性能, 但是其制備工藝相對(duì)繁瑣, 而且對(duì)外延片的清潔度要求較為嚴(yán)格, 限制了器件的大規(guī)模應(yīng)用. 為了簡化DFB 激光器的制備過程, Miller 等[10]提出了一種不需要二次生長制備DFB 激光器的方法, 即在脊型波導(dǎo)兩側(cè)制備側(cè)向耦合布拉格光柵.用這種方法制備的激光器被命名為側(cè)向耦合分布反饋(laterally coupled distributed feedback,LC-DFB)激光器. LC-DFB 激光器展現(xiàn)出了較好的性能, 并吸引了諸多研究和關(guān)注. 現(xiàn)在普遍采用光柵深刻蝕的方法制備LC-DFB 激光器, 但是這種激光器的SMSR 僅有20 dB, 輸出功率為1.5 mW, 不能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求[11-12]. 這是因?yàn)樵诩剐筒▽?dǎo)側(cè)壁進(jìn)行光柵深刻蝕會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)損耗, 并且光柵刻蝕深寬比非常大, 光柵圖案在向有源區(qū)轉(zhuǎn)移時(shí)容易失真, 這些都導(dǎo)致了激光器性能的降低. 更為棘手的是, 這種光柵深刻蝕結(jié)構(gòu)所需的刻蝕深寬比高達(dá)20∶1,很難在已有的干法和濕法刻蝕工藝中實(shí)現(xiàn)[13].

本工作將淺刻蝕光柵應(yīng)用于1.3 μm GaAs 基LC-DFB 激光器, 避免了激光器結(jié)構(gòu)的二次生長, 減小了刻蝕深寬比, 使DFB 激光器的制備簡單易行. 通過這一改進(jìn)的方法, 制備了性能優(yōu)良的純折射率耦合的LC-DFB 激光器, 實(shí)現(xiàn)了室溫連續(xù)工作, SMSR 高達(dá)51 dB. 1.3 μm 淺刻蝕量子點(diǎn)LC-DFB 激光器有望在遠(yuǎn)距離光纖通信領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)巨大應(yīng)用價(jià)值.

1 材料生長

采用MBE 技術(shù), 在Si 摻雜的GaAs(100)襯底上生長InAs/InGaAs/GaAs 量子點(diǎn)激光器結(jié)構(gòu). 這種結(jié)構(gòu)包含8 層量子點(diǎn), 每層量子點(diǎn)被33 nm 的GaAs 間隔層隔開. 每層量子點(diǎn)含有2.7 ML(monolayer, 單層) InAs, InAs 上覆蓋有6 nm 的InGaAs 應(yīng)力釋放層. 整個(gè)有源區(qū)結(jié)構(gòu)被夾在2 800 nm 的n-Al0.3Ga0.7As 下包層和1 800 nm 的p-Al0.3Ga0.7As 上包層之間. 圖1 為生長完整的量子點(diǎn)激光器結(jié)構(gòu)示意圖, 其中展示了具有8 層量子點(diǎn)的有源區(qū)結(jié)構(gòu). 圖2 為量子點(diǎn)有源區(qū)的截面透射電子顯微鏡(transmission electron microscopy, TEM)圖, 從中可見被33 nm GaAs 層隔開的8 層量子點(diǎn).

p 型調(diào)制摻雜樣品按照上述同樣的結(jié)構(gòu)生長. 唯一不同的是, 采用Be 元素進(jìn)行p 型調(diào)制摻雜, 摻雜濃度為3×1017cm-3. 摻雜區(qū)域在InAs/InGaAs 量子點(diǎn)層以上17 nm 的GaAs 層中, 摻雜區(qū)域的寬度為6 nm.

圖1 量子點(diǎn)樣品的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic structure of the QD samples

圖2 量子點(diǎn)有源區(qū)的截面TEM 圖Fig.2 Cross-sectional TEM image of the QDs active layer structure

2 器件設(shè)計(jì)與制備

2.1 淺刻蝕量子點(diǎn)LC-DFB 激光器結(jié)構(gòu)

圖3 展示了本工作所設(shè)計(jì)的淺刻蝕1.3 μm GaAs 基量子點(diǎn)LC-DFB 激光器的結(jié)構(gòu)示意圖. 不同于以往的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 首先本工作一次性完成了完整的量子點(diǎn)激光器結(jié)構(gòu)的生長, 然后在外延片上進(jìn)行激光器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制備, 避免了繁瑣的制備工藝和復(fù)雜的清洗流程. 以往的深刻蝕光柵LC-DFB 激光器是采用光柵和波導(dǎo)同時(shí)制備的方法, 而本工作是將波導(dǎo)和光柵分別制備. 在脊型波導(dǎo)制備完成后, 在其兩側(cè)制備光柵, 從而大大減小了光柵的刻蝕深寬比, 降低了工藝難度, 實(shí)現(xiàn)了光柵的淺刻蝕.

本工作通過光刻和刻蝕的方法在平整的外延片上制備脊型波導(dǎo), 然后通過電子束曝光(electron beam lithography, EBL)技術(shù)在脊型波導(dǎo)兩側(cè)制備布拉格光柵, 通過刻蝕技術(shù)完成光柵向有源區(qū)的轉(zhuǎn)移. 布拉格光柵僅僅被刻蝕了100 多nm, 就可以接近器件的有源區(qū). 隨后在光柵區(qū)填充SiO2等折射率較小的介質(zhì)材料, 使光柵區(qū)的有效折射率和有源區(qū)的折射率產(chǎn)生差異, 利用有源區(qū)外的倏逝場(chǎng)與布拉格光柵的耦合作用完成對(duì)光模式的篩選. 極淺的刻蝕深度可以在已有的干法或者濕法刻蝕工藝中輕松實(shí)現(xiàn). 工藝難度的降低可以提高光柵的保真度, 使其在刻蝕過程中不易變形. 光柵刻蝕深寬比的減小, 使得這種淺刻蝕結(jié)構(gòu)可以采用一階光柵,從而大幅提高DFB 激光器的耦合系數(shù). 由于這種淺刻蝕LC-DFB 結(jié)構(gòu)在制備光柵時(shí)其外延層上已經(jīng)提前制備了脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu), 外延片上存在高度落差, 在勻膠時(shí)會(huì)在波導(dǎo)側(cè)壁堆膠, 因此在不平整表面上制備百納米級(jí)光柵是本結(jié)構(gòu)需要克服的一個(gè)障礙.

圖3 淺刻蝕量子點(diǎn)LC-DFB 激光器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic structure of QD LC-DFB laser with shallow-etched gratings

2.2 光柵設(shè)計(jì)

LC-DFB 激光器通過內(nèi)含的布拉格光柵對(duì)光的反饋?zhàn)饔脕韺?shí)現(xiàn)篩選縱模與壓縮線寬, 只有滿足如下布拉格條件的波長的光才能在激光器的諧振腔里形成穩(wěn)定的振蕩:

式中, Λ 是光柵的周期, λ 是激光器的工作波長, q 是光柵的階數(shù), neff是材料的有效折射率. 光柵為一階光柵, 設(shè)計(jì)周期為196 nm. 采用一階光柵可以得到較高效率的衍射激光和較大的耦合系數(shù), 顯著提高DFB 激光器的性能. 光柵階數(shù)越低, 工藝制備難度越大. 但是淺刻蝕工藝大大減小了刻蝕深寬比, 可以輕松實(shí)現(xiàn)一階光柵. 另外, 光柵與有源區(qū)的距離是決定LC-DFB 激光器性能的關(guān)鍵, 當(dāng)這個(gè)距離為150 nm 時(shí), 光柵可以對(duì)光形成較好的耦合[14-15].

2.3 歐姆接觸設(shè)計(jì)

對(duì)于淺刻蝕量子點(diǎn)LC-DFB 激光器結(jié)構(gòu), 由于在使用EBL 技術(shù)制備光柵掩膜時(shí), 整個(gè)外延片上都被涂布了電子束膠. 經(jīng)過曝光、顯影和刻蝕工藝, 不僅脊型波導(dǎo)兩側(cè)會(huì)形成光柵條紋,脊型波導(dǎo)上方也會(huì)形成布拉格光柵. 經(jīng)過SiO2材料填充后, 在脊型波導(dǎo)上會(huì)形成GaAs/SiO2光柵. 脊型波導(dǎo)上方需要進(jìn)行刻蝕來制備電流注入窗口, 這就導(dǎo)致了很難在這種具有光柵結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)上刻蝕形成表面光滑的電流注入窗口, 無法實(shí)現(xiàn)良好的p 面電極的歐姆接觸. 為了解決這一問題, 本工作在脊型波導(dǎo)上方生長了75 nm 的SiO2光柵掩膜層. 波導(dǎo)上方的SiO2層會(huì)在光柵掩膜轉(zhuǎn)移和光柵刻蝕階段很好地保護(hù)整個(gè)波導(dǎo)結(jié)構(gòu), 避免了脊型波導(dǎo)上方出現(xiàn)電流注入窗口表面粗糙度增大和電極黏附性不好的問題.

2.4 器件制備

本工作首先采用化學(xué)汽相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)技術(shù)在外延片上生長了75 nm 的SiO2作為光柵掩膜層. 經(jīng)過光刻和顯影在平整的外延片上形成了脊型波導(dǎo)圖形. 采用電感耦合等離子體(inductively coupled plasma, ICP)刻蝕和濕法刻蝕結(jié)合的方法將圖形向下轉(zhuǎn)移, 刻蝕停止在距離有源區(qū)300 nm 處的區(qū)域.

脊型波導(dǎo)制備完成后, 采用EBL 技術(shù)制備光柵圖案. 由于此時(shí)的外延片被刻蝕了脊型波導(dǎo), 在平面上存在高度差, 導(dǎo)致在此外延片上勻電子束膠時(shí)容易在脊型波導(dǎo)的側(cè)壁堆膠. 這種側(cè)壁堆膠會(huì)導(dǎo)致制備的光柵與脊型波導(dǎo)連接不緊密, 嚴(yán)重降低光柵的耦合能力. 為了解決這個(gè)問題, 本工作選用了較薄電子束膠, 并優(yōu)化了光刻參數(shù), 所選用的電子束膠為聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate, PMMA), 厚度為75 nm. 圖4 為勻膠后的波導(dǎo)截面掃描電鏡(scanning electron microscope, SEM)圖. 可以發(fā)現(xiàn), 在脊型波導(dǎo)兩側(cè)并沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的堆膠現(xiàn)象, 波導(dǎo)側(cè)壁非常垂直光滑, 這對(duì)提高激光器的光學(xué)限制因子以及性能大有幫助. 圖5 為經(jīng)過淺刻蝕制備的光柵截面SEM 圖. 可以看出, 光柵形貌均勻規(guī)整, 刻蝕深度為135 nm, 刻蝕深寬比僅為1.4∶1, 光柵周期為196 nm, 占空比約為0.4. 圖6 為所制備的LC-DFB 激光器結(jié)構(gòu)的SEM 圖. 可以看出, 光柵和波導(dǎo)之間沒有任何縫隙, 連接緊密.

圖4 勻膠后的脊型波導(dǎo)截面SEM 圖Fig.4 Cross-sectional SEM image of ridge waveguide after spin-coated with PMMA resist

圖5 干法刻蝕后的光柵截面SEM 圖Fig.5 Cross-sectional SEM image of grating after dry etching

圖6 淺刻蝕量子點(diǎn)LC-DFB 激光器結(jié)構(gòu)的俯視SEM 圖Fig.6 Top view SEM image of the QD LC-DFB laser structure with shallow-etched grating

最后, 采用PECVD 技術(shù)在整個(gè)結(jié)構(gòu)表面沉積400 nm 厚的SiO2. 采用反應(yīng)離子刻蝕(reactive ion etching, RIE)技術(shù)在SiO2上打開1 μm 寬的電極窗口. 樣品減薄和拋光后,Ti/Au 和Au/Ge/Ni/Au 電極分別鍍?cè)跇悠飞舷卤砻?

3 結(jié)果與討論

3.1 材料光致發(fā)光(photoluminescence, PL)測(cè)試

PL 是對(duì)半導(dǎo)體材料物理性質(zhì)表征的常用手段. 在進(jìn)行PL 實(shí)驗(yàn)時(shí), 采用532 nm 的Ar+激光器作為激發(fā)光源, 激發(fā)功率為200 mW. 量子點(diǎn)有源區(qū)之上為p-Al0.3Ga0.7As 上包層和重?fù)诫s的GaAs 歐姆接觸層. 這兩層會(huì)吸收532 nm 的激發(fā)光. 為了解決這個(gè)問題, 本工作對(duì)量子點(diǎn)激光器材料樣品進(jìn)行了腐蝕處理, 腐蝕停止在有源區(qū)上200 nm 處, GaAs 歐姆接觸層和部分p-Al0.3Ga0.7As 上包層被腐蝕, 使得有源區(qū)能夠獲得足夠的光激發(fā). 圖7 和8 為室溫下非摻雜和p 摻雜量子點(diǎn)樣品的PL 譜, 內(nèi)插圖為非摻雜和p 摻雜量子點(diǎn)樣品的有源區(qū)示意圖. 可以看出, 兩個(gè)樣品都展現(xiàn)了基態(tài)(ground state, GS)單峰發(fā)光, 沒有出現(xiàn)浸潤層或者InGaAs 層的發(fā)光. 這表明在浸潤層或者InGaAs 中產(chǎn)生的光生載流子可以迅速弛豫到量子點(diǎn)中, 然后輻射復(fù)合發(fā)光. 非摻雜和p 摻雜量子點(diǎn)樣品的發(fā)光峰位分別是1 303 和1 309 nm, 非摻雜樣品發(fā)光峰位相對(duì)p 摻雜樣品有一定程度的藍(lán)移. 這是由生長p-Al0.3Ga0.7As 上包層時(shí)產(chǎn)生的等效退火效應(yīng)所產(chǎn)生的. p-Al0.3Ga0.7As 上包層的生長溫度(600?C)高于有源區(qū)量子點(diǎn)的生長溫度(500?C), 在長時(shí)間生長p-Al0.3Ga0.7As 上包層的過程中會(huì)對(duì)有源區(qū)產(chǎn)生退火效應(yīng). 退火時(shí)產(chǎn)生的In-Ga 互混效應(yīng)會(huì)使量子點(diǎn)的發(fā)光峰產(chǎn)生藍(lán)移[16-17]. 由于p 摻雜抑制了Ga 空位的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移, 而Ga 空位濃度是影響In-Ga 互混的主要因素, 所以在有源區(qū)進(jìn)行p 摻雜會(huì)抑制量子點(diǎn)與其周圍介質(zhì)進(jìn)行In-Ga 互混的程度[18], 也因此在生長p-Al0.3Ga0.7As 時(shí), p 摻雜量子點(diǎn)產(chǎn)生了較小程度的In-Ga 互混, 導(dǎo)致了其發(fā)光峰位較小的藍(lán)移. 從圖中還可以看出, 與非摻雜量子點(diǎn)PL 譜比較, p 摻雜量子點(diǎn)的PL 譜有一定幅度的展寬. Kumagai 等[19]也觀測(cè)到類似的現(xiàn)象. 這主要是因?yàn)閜 摻雜導(dǎo)致了較為顯著的能態(tài)填充效應(yīng).

3.2 器件電致發(fā)光(electroluminescence, EL)測(cè)試

所有的器件都被處理成1 mm 的腔長, p 面朝上正焊于熱沉上. 所有的測(cè)試結(jié)果都是在激光器腔面未鍍膜的情況下取得的, 在連續(xù)注入電流下進(jìn)行測(cè)試, 包括功率-電流(power-current,P-I)和發(fā)光光譜測(cè)試.

圖7 室溫下非摻雜量子點(diǎn)激光器材料樣品的PL 譜Fig.7 PL spectra measured at room temperature from the undoped QD laser material samples

圖8 室溫下p 摻雜量子點(diǎn)激光器材料樣品的PL 譜Fig.8 PL spectra measured at room temperature from the p-doped QD laser material samples

3.2.1 器件P-I 測(cè)試

圖9 為不同溫度(15, 25, 35, 45?C)下非摻雜量子點(diǎn)LC-DFB 激光器的P-I 曲線. 可見,在25?C 時(shí), 非摻雜量子點(diǎn)LC-DFB 激光器具有非常低的閾值電流, 其大小僅為9 mA, 每層量子點(diǎn)的閾值電流為1.12 mA, 斜率效率為0.12 W/A, 且隨著溫度從15?C 增加到45?C, 非摻雜量子點(diǎn)LC-DFB 激光器的閾值電流線性增加.

圖10 為不同溫度(15,25,35,45?C)下p 摻雜量子點(diǎn)LC-DFB 激光器的P-I 曲線.可見:在25?C 時(shí), 與非摻雜量子點(diǎn)LC-DFB 激光器相比, p 摻雜量子點(diǎn)LC-DFB 激光器的閾值電流較高, 這是因?yàn)閜 摻雜使非輻射復(fù)合和自由載流子吸收更加顯著; p 摻雜量子點(diǎn)LC-DFB 激光器具有較大的斜率效率, 為0.17 W/A, 這是因?yàn)閜 摻雜提高了有源區(qū)的增益, 且雖然p 摻雜量子點(diǎn)LC-DFB 激光器的激射晚于非摻雜量子點(diǎn)激光器, 但因其較大的斜率效率, 導(dǎo)致其在100 mA 時(shí)的輸出功率大于非摻雜量子點(diǎn)LC-DFB 激光器; 隨著溫度從15?C 增加到45?C,p 摻雜量子點(diǎn)LC-DFB 激光器的閾值電流基本保持不變. 通常, 激光器閾值電流的溫度穩(wěn)定性通過特征溫度T0來描述. T0越大表明激光器的閾值電流對(duì)溫度越不敏感, 器件的溫度穩(wěn)定性越高. 在未摻雜的量子點(diǎn)中, 價(jià)帶中的空穴數(shù)量有限, 很容易由于熱激發(fā)逃逸到較高能級(jí), 從而使基態(tài)的空穴占據(jù)幾率降低. 引入p 型調(diào)制摻雜后, 雜質(zhì)原子提供了大量額外的空穴填充到量子點(diǎn)價(jià)帶能級(jí)中, 使價(jià)帶能級(jí)始終處于填滿狀態(tài), 基態(tài)空穴很難熱逃逸, 提高了價(jià)帶基態(tài)載流子的占據(jù)幾率, 從而提高了量子點(diǎn)激光器的特征溫度[20].

圖9 非摻雜量子點(diǎn)LC-DFB 激光器的P-I 特征曲線Fig.9 P-I characteristics of the undoped QD LC-DFB lasers

圖10 p 摻雜量子點(diǎn)LC-DFB 激光器的P-I 特征曲線Fig.10 P-I characteristics of p-doped QD LC-DFB lasers

3.2.2 器件光譜測(cè)試

在25?C 連續(xù)工作下, p 摻雜量子點(diǎn)LC-DFB 激光器的輸出光譜如圖11 所示. 激光器實(shí)現(xiàn)了在1 310 nm 處的單縱模輸出, SMSR 高達(dá)51 dB, 體現(xiàn)了淺刻蝕光柵的優(yōu)勢(shì). 因?yàn)闇\刻蝕工藝減小了刻蝕深寬比, 降低了工藝難度, 使得有條件采用一階光柵, 并且提高了光柵的制備質(zhì)量,保證了光柵對(duì)光較好的耦合,實(shí)現(xiàn)了高SMSR 的單縱模連續(xù)輸出.此外,淺刻蝕LC-DFB結(jié)構(gòu)保證了平滑的波導(dǎo)側(cè)壁, 減小了光學(xué)散射損耗, 對(duì)提高SMSR 大有好處. Goshima[11]采用深刻蝕的方法制備了純折射率耦合的LC-DFB 激光器. 激光器的斜率效率為0.03 W/A,SMSR 為20 dB, 與實(shí)際應(yīng)用要求存在一定差距. 這是因?yàn)樯羁涛g難以保證光柵質(zhì)量, 容易造成光柵失真. 此外深刻蝕在波導(dǎo)側(cè)壁造成了較大光學(xué)損耗, 也是器件性能下降的主要原因. 基于同樣的淺刻蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), Briggs 等[21]成功地制備了中紅外2.65 μm GaSb 基LC-DFB 激光器. 但是由于在器件制備時(shí)光柵和脊型波導(dǎo)產(chǎn)生了一定距離的分離, 光柵未能與光形成比較好的耦合, 導(dǎo)致輸出單模的SMSR 僅為20 dB. 在本工作的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中, 選取了較薄的電子束膠作為光柵掩膜, 極大地減少了光刻膠在脊型波導(dǎo)側(cè)壁的堆積, 并優(yōu)化了光刻參數(shù), 使光柵和脊型波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了零縫隙的緊密接觸, 保證了光柵對(duì)光的有效耦合, 提高了LC-DFB 激光器的性能.

圖11 2Ith 條件下p 摻雜量子點(diǎn)LC-DFB 激光器的激射光譜Fig.11 Lasing spectrum of p-doped QD LC-DFB laser measured at 2Ith

圖12 展示了在I=2Ith的注入電流下, p 摻雜量子點(diǎn)LC-DFB 激光器的輸出波長隨溫度的變化關(guān)系. 經(jīng)過一次函數(shù)線性擬合, 得到輸出波長的變化速率是0.092 nm/K. 這一變化速率與文獻(xiàn)[12]中LC-DFB 激光器的結(jié)果一致. 隨著溫度提高, p 摻雜量子點(diǎn)LC-DFB 激光器的輸出波長存在紅移, 其紅移速率主要由激光器有效折射率隨溫度的變化決定. 此外, 本工作還測(cè)試了法布里-帕羅(Fabry-Perot, FP)激光器的紅移速率, 其值為0.46 nm/K. 經(jīng)過布拉格光柵的調(diào)制, LC-DFB 激光器輸出波長隨溫度的變化速率為激光器變化速率的1/5. 對(duì)于FP 激光器而言, 其紅移速率主要是由材料增益譜隨溫度的變化決定的. 這種變化速率的差異說明了LC-DFB 激光器的輸出光譜具有較好的熱穩(wěn)定性[12].

圖12 2Ith 條件下, p 摻雜量子點(diǎn)LC-DFB 激光器激射光譜的變溫特性Fig.12 Temperature dependence of emission wavelength of p-doped QD LC-DFB laser measured at 2Ith

圖13 為室溫條件下, p 摻雜量子點(diǎn)LC-DFB 激光器在不同注入電流情況下的發(fā)光光譜.隨著注入電流增加, 發(fā)光峰位朝著長波長方向線性移動(dòng). 當(dāng)注入電流從40 mA 增加到120 mA時(shí), 峰位從1 309.83 nm 移動(dòng)到1 310.71 nm, 移動(dòng)速率僅為0.011 nm/mA, 體現(xiàn)了布拉格光柵具有鎖定和穩(wěn)定輸出波長的作用. 這一紅移速率略小于文獻(xiàn)[21]中所報(bào)道的值. 因此, 輸出波長的紅移主要與電流的熱效應(yīng)有關(guān).

圖13 在不同注入電流下, p 摻雜量子點(diǎn)LC-DFB 激光器的激射光譜Fig.13 Emission wavelength spectra of p-doped QD LC-DFB laser at different injection currents

與采用常規(guī)工藝所制備的DFB 激光器相比, 本工作設(shè)計(jì)的激光器取得了較為優(yōu)良的性能. 除了Goshima[12]報(bào)道的深刻蝕LC-DFB 激光, Li 等[22]、Apiratikul 等[23]也采用深刻蝕的方法制備了LC-DFB 激光器, 其SMSR 分別是37 和40 dB. 深刻蝕導(dǎo)致的較大的光學(xué)損耗是限制這類DFB 激光器性能提高的主要原因. Takada 等[2]采用二次生長的方法制備了DFB 激光器, SMSR 為45 dB, 但其制備工藝相對(duì)繁瑣, 而且對(duì)外延片清潔度要求較為嚴(yán)格. 基于側(cè)向耦合思路, 本工作將淺刻蝕光柵應(yīng)用于1.3 μm GaAs 基DFB 激光器. 在簡化工藝流程和減輕工藝制備難度的同時(shí), 實(shí)現(xiàn)了更高的SMSR 和穩(wěn)定的光譜輸出. DFB 激光器性能提升的原因主要有3 點(diǎn): ①采用光柵淺刻蝕的方法保證了光柵質(zhì)量, 形成了規(guī)整且周期性良好的一階光柵; ②在脊型波導(dǎo)兩側(cè)淺刻蝕光柵, 保障了波導(dǎo)側(cè)壁具有平滑的表面, 不至于產(chǎn)生較大的光學(xué)散射損耗; ③采用薄的電子束膠作為掩膜, 解決了側(cè)壁堆膠問題, 優(yōu)化了相關(guān)參數(shù), 實(shí)現(xiàn)了光柵和脊型波導(dǎo)的零縫隙接觸, 使光柵對(duì)光有較好的耦合.

4 結(jié) 論

本工作采用淺刻蝕的方法在非摻雜和p 摻雜量子點(diǎn)材料上成功制備了1.3 μm LC-DFB激光器. 通過測(cè)試激光器性能, 得出了以下結(jié)論.

(1) 非摻雜量子點(diǎn)LC-DFB 激光器具有較低的閾值電流, 為1.12 mA/量子點(diǎn)層.

(2) p 摻雜量子點(diǎn)LC-DFB 激光器展現(xiàn)了較高的斜率效率, 為0.17 W/A. p 摻雜量子點(diǎn)LC-DFB 激光器也具有穩(wěn)定的閾值電流, 其值在15～45?C 之間基本保持不變.

(3) 淺刻蝕量子點(diǎn)LC-DFB 激光器結(jié)構(gòu)不僅降低了工藝難度, 而且提升了器件性能, 實(shí)現(xiàn)了高達(dá)51 dB 的SMSR 室溫連續(xù)工作.

(4) 淺刻蝕量子點(diǎn)LC-DFB 激光器具有穩(wěn)定的輸出波長, 在不同的注入電流和溫度測(cè)試下, 紅移速率僅為0.011 nm/mA 和0.092 nm/K, 表現(xiàn)出了優(yōu)良的波長穩(wěn)定性.