DFB激光器高頻特性實驗研究

趙開梅，段利華，彭芳草，熊煜，張靖，周帥

（重慶光電技術(shù)研究所，重慶 400060）

0 引言

隨著智能手機(jī)，大數(shù)據(jù)存儲和全球化云計算的快速發(fā)展，使數(shù)據(jù)中心帶寬容量呈現(xiàn)爆炸式的增長。同時，5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的大規(guī)模啟動，對光模塊的需求變得更加迫切。為了滿足要求，信號傳輸?shù)墓饽K需要更高的調(diào)制速率以及更寬的工作溫度范圍。目前，國內(nèi)外針對多量子阱DFB直調(diào)激光器的研究已經(jīng)取得很多成果[1-3]，但是針對張應(yīng)變多量子阱DFB激光器的研究比較少。本文采用AlGaInAs InP多量子阱材料體系，有源層引入多量子阱張應(yīng)變，設(shè)計并制備了脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的激光器芯片。設(shè)計激光器波長失諧量、優(yōu)化芯片腔長，實現(xiàn)DFB激光器在寬溫度范圍內(nèi)工作，提高了小信號頻率響應(yīng)帶寬f3dB，且在寬溫度范圍內(nèi)f3dB的變化率較小。

1 器件設(shè)計和制作

半導(dǎo)體激光器中有源層的勢阱層內(nèi)引入多量子阱張應(yīng)變量，勢壘層中引入壓應(yīng)變，有效改進(jìn)激光器高速調(diào)制特性。為了進(jìn)一步提高激光器高溫特性，優(yōu)化設(shè)計光柵激射波長和材料增益波長的失諧量。適當(dāng)選擇光柵激射波長相對材料增益波長的負(fù)失諧量，既要考慮激光器調(diào)制速率的提高，同時兼顧激光器全溫度范圍內(nèi)的工作特性[4]。適當(dāng)?shù)呢?fù)失諧量有利于提高張弛震蕩頻率，但是激光器激射波長偏離材料增益波長太遠(yuǎn)，導(dǎo)致激光器的高溫特性失效。我們設(shè)計在溫度25℃下，失諧量是-5nm。減小腔長是提高DFB激光器高頻帶寬的一種有效方法，但是芯片電阻的增加以及自身熱效應(yīng)會引起芯片有源區(qū)溫度升高，進(jìn)而抑制DFB激光器頻率響應(yīng)帶寬。

圖1 DFB 激光器芯片外延結(jié)構(gòu)

DFB激光器芯片外延結(jié)構(gòu)如圖1所示。InP襯底上生長100nm N-InP光柵過渡層以及35nm N-InGaAsP光柵層；有源區(qū)選用6對量子阱壘結(jié)構(gòu)，阱層為9.2nm厚的AlGaInAs，張應(yīng)變?yōu)?1.14%，壘層為15nm厚的AlGaInAs，壓應(yīng)變?yōu)?.58%。有源層兩側(cè)分別是具有折射率剃度的上下波導(dǎo)層, 然后在上波導(dǎo)層上面生長載流子阻擋層以及脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)刻蝕終止層。光柵層厚度為35nm，刻蝕終止層厚度為23nm。采用脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)制作激光器芯片，脊寬度為2um，芯片端面高反射（High-Reflective Coating, AR）反射率為90～97%，增透膜透過率為0.1～1%，然后通過解離機(jī)將Bar條解離為單個芯片，最后進(jìn)行芯片參數(shù)性能測試[5-6]。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 激光器芯片的小信號頻帶響應(yīng)特性

根據(jù)速率方程，馳豫振蕩頻率表達(dá)式為：

nr等效折射率，α1內(nèi)部損耗，R1R2光柵前后端面反射率總和，L為芯片腔長。由此可見，芯片腔長與激光器頻率調(diào)制帶寬是反比關(guān)系。

將DFB激光器芯片貼裝在高速過度熱沉上，使用微波探針加載信號在芯片上，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀MS4645B測試小信號調(diào)制特性。DFB激光器芯片腔長L為200um，170um，150um條件下，小信號頻率響應(yīng)帶寬f3dB隨溫度的變化趨勢，如圖2所示。在驅(qū)動電流70mA，溫度25℃時，f3dB隨腔長減小而增加，但是DFB激光器芯片溫度上升到85℃，腔長L為200um、170um DFB激光器芯片的f3dB隨溫度升高而遞減，變化率約是18%，而腔長L為150um DFB激光器f3dB卻急劇遞減，呈現(xiàn)非線性變化趨勢，遞減變化率約約是長腔長激光器的2倍，這與理論分析存在差異。主要原因是，高溫工作條件下短腔長激光器芯片有源區(qū)結(jié)溫更高，抑制了激光器帶寬f3dB。

圖2 溫度T 和f3dB 的關(guān)系

2.2 腔長L為170um DFB激光器芯片小信號頻帶響應(yīng)特性

在溫度25℃，85℃，95℃時，DFB激光器芯片小信號頻率響應(yīng)S21特性曲線，如圖3。從測試結(jié)果可得，激光器的工作偏置電流越高，馳豫振蕩頻率向更高頻率移動。在溫度25℃，85℃，95℃，當(dāng)偏置電流為70mA，DFB激光器的調(diào)制帶寬f3dB分別達(dá)到19.6GHz，17.4GHz，16GHz。在溫度25～85℃范圍內(nèi)，f3dB隨溫度升高而遞減變化率分別約是11%，優(yōu)于已有文獻(xiàn)報道的13%，同時分析了在溫度25-95℃范圍內(nèi)，f3dB隨溫度升高而遞減變化率分別約是18%[7]。

圖3 S21 頻率響應(yīng)特性曲線

2.3 腔長L為170um DFB激光器芯片的光電特性

25℃時，芯片典型電阻為6W。在溫度25℃，85℃，95℃，CW測試條件下，DFB激光器芯片典型閾值電流依次是6.3mA，11.0mA，14.2mA，斜率效應(yīng)Se分別是0.45W/A，0.37W/A，0.35W/A。工作溫度-45℃～105℃范圍內(nèi)，DFB激光器的光電特性如圖4所示。電流I=70mA，全溫度范圍內(nèi)DFB激光器的邊摸抑制比（SMSR）均大于45dB，且溫度25℃時，激光器激射失諧量約是-7nm。

圖4 在不同溫度下DFB 激光器器件光電特性

3 結(jié)語

本文分析了AlGaInAsInP張應(yīng)變多量子阱DFB激光器的小信號頻率響應(yīng)帶寬和光電特性。設(shè)計優(yōu)化DFB激光器的芯片結(jié)構(gòu)，分析不同溫度下，芯片腔長對小信號頻率帶寬的影響。優(yōu)化激光器腔長，提高激光器f3dB，且溫度引起f3dB變化率小，最后實現(xiàn)高溫95℃，f3dB達(dá)到16GHz＠70mA，且溫度25℃～85℃和25℃～95℃工作范圍內(nèi)，DFB激光器f3dB隨溫度升高變化率分別是11%和18%。