n-ZnO/p-AlGaN LED结构DFB激光器的设计与分析

王 斐，胡芳仁，陈凯文，潘凌楠

（南京邮电大学光电工程学院，南京 210046）

n-ZnO/p-AlGaN LED结构DFB激光器的设计与分析

王 斐，胡芳仁，陈凯文，潘凌楠

（南京邮电大学光电工程学院，南京 210046）

根据严格耦合波理论和介质平板波导理论，利用Comsol Multiphysic软件仿真设计了基于单晶n-Zn O/p-AlGaN LED（发光二极管）结构的DFB（分布反馈）半导体激光器的光栅结构。针对LED结构加电压后发射近紫外光，分析了二维电场模式分布图，得出单纵模传输随着光栅不同参量的变化情况。分析表明，在4 V正向偏置电压下，当占空比为50%、光栅周期为109.2 nm、光栅高度为69.8 nm时。，光谱线宽窄、单模选择性好，电场模达5.877 4×107V/m。为电泵浦DFB半导体激光器的设计与加工提供了一定的基础

发光二极管结构；分布反馈半导体激光器；氧化锌；电泵浦

0 引言

DFB（分布反馈）半导体激光器由于其窄线宽、高SMSR（边模抑制比）、低啁啾等特性，迅速成为高速、大容量、长距离光通信和相干光通信的关键器件，也是光通信的首选光源。

Zn O基发光器件虽然有良好的发展前景，但稳定、可控的p型掺杂Zn O一直难以实现，导致目前对ZnO基同质结LED（发光二极管）的研究仍旧进展缓慢［1-2］，利用其他p型半导体材料来与n型Zn O构造异质结器件成为另外一条可选路径。因此本文提出了利用单晶n-Zn O和p-AlGa N的异质结，为解决Zn O基p/n结提供了一种新方法。本文将电泵浦发光与DFB激光器相结合，使某些特定波长在特定角度方面产生共振得到增益，选择相应频谱的激光输出，形成一定波长的单模DFB激光器。目前基于光泵浦的DFB激光器已经陆续得到报道［3-4］，但电泵浦的Zn O基DFB激光器还未见报道。

本文根据严格耦合波理论和介质平板波导理论对光波在周期性均匀光栅中的传播进行计算，从而分析光波在DFB激光器中的传播；在异质结加电压发光之后，根据其发光峰值波长（389.1 nm）设计了基于单晶n-Zn O/p-AlGa N LED结构的DFB半导体激光器的光栅结构，通过对均匀光栅的周期、占空比以及光栅高度等参量的仿真，找出了该光栅结构的最佳设计参数。

1 理论模型

根据光栅的电磁场理论建立麦克斯韦方程组，从而得到严格矢量耦合波理论［5］，再通过介质平板波导理论计算出光栅的结构。本文只讨论单模传输特性。光的传播遵循电磁波的波动方程

式中，k为波数；E为电场强度。含有布拉格光栅的波动方程可以写为式中，E为x和z的函数；k0为真空波数；n（x，z）= n0+Δn（x，z），n0为光栅区两种材料折射率的平均值，Δn（x，z）为折射率沿z方向的周期性函数，且，布拉格波数βB= mπ/Λ，其中，m为光栅阶数，Λ为光栅周期。式（2）的通解可以表示为

式中，u（x）为x方向光场；β=k0neff，neff为介质等效折射率；A（z）为前向波即为入射波，B（z）为后向波。只有满足布拉格反射条件的波长才能在介质中形成振荡并实现单纵模的传输。将式（3）代入（2）中，得到耦合波方程组

κ的大小与光栅的级数、形状、深度和占空比等因素有关。本文中取光栅级数为1，即为均匀光栅。

图1所示为DFB激光器光栅波导结构图。图中，H为光栅高度，H_t为增益层厚度，d为光栅厚度，Λ为光栅周期。单晶n-Zn O/p-AlGaN LED结构加上电压后发光，光波在作为谐振腔的光栅中震荡传播，某些特定波长在特定角度方面将产生共振得到增益，选择相应频谱的激光输出，形成一定波长的单模DFB激光器。DFB激光器的布拉格条件为

图1 DFB激光器光栅波导结构图

2 结构设计及参数分析

2.1 光栅结构设计

通过对单纵模输出条件及neff的计算，设计了DFB半导体激光器的光栅结构参数，如表1所示。

表1 DFB半导体激光器光栅结构参数

异质结的阈值电压为3.2 V［6］，本文选择4 V正向电压，电流为60 m A。使用表1的参数，用Comsol 4.2a软件对此过程进行仿真。

以东京电波公司最新生产的Zn O单晶为样品，测得其发光区间为380～389 nm。n-Zn O/p-A1Ga N异质结界面对电子产生了明显的阻挡作用，使得载流子复合中心转移到了Zn O一侧，实现了Zn O的近紫外电致发光，因此设计波长为389.1 nm。器件电场模达5.877 4×107V/m。由此表明，布拉格光栅对整个器件的光场起到了调制作用，选出了符合设计参数的波长并产生谐振，起到了正反馈的作用。图2所示为对波长在388.5～389.5 nm之间进行扫描的电场模式图，步长为0.02 nm。由图可知，该线的谐振线宽达0.025 nm，满足窄线宽要求，且在其他波长段电场模非常之小，体现出良好的单模选择性。

图2 电场模式图

2.2 周期、高度和占空比的影响

布拉格光栅的周期Λ、占空比以及光栅高度H均会对DFB激光器的传输产生重要影响。图3所示为不同Λ时DFB激光器电场模随波长的变化情况。可以看出，当Λ≠109.2 nm时，电场模非常低，而当Λ=109.2 nm时，电场模很高，验证了激光器的布拉格条件，合适的光栅周期可以使激光器具有选模特性。图4所示为DFB半导体激光器电场模随Λ的变化情况，由图可知，虽然Λ变化的步长仅为0.1 nm，但电场模的变化非常大，可见电场模对光栅周期的变化比较敏感，灵敏度高，选模效果好。

图3 不同光栅周期的DFB半导体激光器电场模随波长的变化情况

图4 DFB半导体激光器电场模随光栅周期Λ的变化情况

图5所示为不同光栅高度的DFB半导体激光器电场模随波长的变化情况。当H=69.8 nm，激射波长在389.16 nm处时，电场模取得最大值，达5.877 4×107V/m。当设计的光栅高度降低0.2 nm时，激射波长会蓝移0.16 nm，而高度增加0.2 nm时，激射波长红移约0.16 nm，谐振峰之间间隔均匀。图6所示为DFB半导体激光器激射波长随光栅高度的变化情况。由图可知，光栅高度和谐振峰波长呈线性关系。

图5 不同光栅高度的DFB半导体激光器电场模随波长的变化情况

图6 DFB半导体激光器激射波长随光栅高度H的变化情况

图7所示为不同占空比DFB半导体激光器电场模随着波长的变化情况。由图可见，当占空比F=0.5时，谐振效果最好，激射波长为389.16 nm，并且线宽小至0.025 nm，单模选择性好。

图7 不同占空比DFB半导体激光器电场模随波长的变化情况

以上仿真结果表明，本文对基于单晶n-Zn O/p-AlGa N LED结构的DFB半导体激光器的设计与仿真结果基本一致，并获得了最佳光栅结构，当光栅高度H=69.8 nm，Λ=109.2 nm，均匀光栅占空比F=0.5时，可以获得非常好的谐振特性和单纵模传输特性。

3 结束语

根据严格耦合波理论和介质平板波导理论，设计了基于单晶n-Zn O/p-AlGa N LED结构的DFB半导体激光器，并根据异质结发出的近紫外光，设计了光栅结构。仿真结果表明，本文的设计显示出了良好的谐振效果和单纵模输出特性，对今后制作LED结构电泵浦DFB半导体激光器有指导意义。

［1］ Liu Yichun，Xu Haiyang，Liu Chunyang，et al.Recent progress in Zn O-based heterojunction ultraviolet light-emitting devices［J］.Chinese Science Bulletin，2014，59（12）：1219-1227.

［2］ Feng Qiuju，Liang Hongwei，Mei Yiying，et al.ZnO single microwire homojunction light emitting diode grown by electric field assisted chemical vapor deposition［J］.Journal of Materials Chemistry C，2015，3 （18）：4678-4682.

［3］ Wang J，Chen F，Li R，et al.Optically pumped distributed feedback thin film waveguide lasers with multiwavelength and polarized emissions［J］.Applied Physics B：Lasers and Optics，2012，107（1）：163-169.

［4］ Tian C，Chen I C，Park S W，et al.Realization of pure frequency modulation of DFB laser via combined optical and electrical tuning［J］.Optics Express，2013，21 （7）：8401-8408.

［5］ Kogelnik H，Shank C V.Coupled-Wave Theory of Distributed Feedback Lasers［J］.Journal of Applied Physics，1972，43（5）：2327-2335.

［6］ Alivov Ya I，Kalinina E V，Cherenkov A E，et al.Fabrication and Characterization of n-Zn O/p-AlGaN Heterojunction Light-Emitting Diodes on 6H-SiC Substrates［J］.Applied Physics Letters，2003，83（23）：4719-4721.

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

国家自然科学基金资助项目（61274121，61574080）

王斐（1991-），男，江苏南京人。硕士研究生，研究方向为光电功能材料与器件。