InAs/GaAs量子点激光器增益特性

魏育新,陈蕊丽

( 中国人民公安大学刑事科学技术学院，北京　100038)



InAs/GaAs量子点激光器增益特性

魏育新,陈蕊丽

( 中国人民公安大学刑事科学技术学院，北京100038)

由于载流子在3个维度受到量子限制，半导体量子点具有类似于原子的分立能级，并展现出许多独特的光学和电学性能.实验研制了InAs/GaAs量子点半导体激光器，分别采用傅里叶级数展开方法和Hakki-Paoli方法准确地测量和表征量子点激光器的模式增益，分析了其增益与损耗.实验结果表明Hakki-Paoli方法受测量系统分辨率影响大，在增益谱峰值附近由其得到的增益明显偏低.采用傅里叶级数展开方法并由测试系统响应函数进行修正，可以获得更准确的增益谱.

半导体激光器；量子点；模式增益

由于载流子在3个维度受到量子限制，半导体量子点具有类似于原子的分立能级，并展现出许多独特的光学和电学性能[1-4].相比于传统的量子阱激光器，半导体量子点激光器具有更低的阈值电流密度、更高的微分增益、更高的温度稳定性以及更高的调制速率等优越性能,有望成为局域网光通信系统及高速信息处理交换系统所需的关键光源，是目前半导体激光器领域的研究热点[5-7].然而，虽然量子点作为有源层具有较高的微分增益，但由于其光限制因子较小，使得其模式增益不高，这就限制了量子点激光器低阈值工作.因此，为优化量子点激光器的性能，对其模式增益的分析就显得极为重要.目前，由激光器放大的自发发射谱测量增益谱的方法主要包括：Hakki-Paoli方法[8]，Cassidy方法[9]，傅里叶变换方法[10]，以及傅里叶级数展开方法[11].对量子点激光器增益谱的研究，已有报道采用Hakki-Paoli方法[12-13]和分段接触[14]的方法测量.本文采用傅里叶级数展开方法和Hakki-Paoli方法分别测量了实验制备的量子点激光器，并对2种方法获得的结果进行了比较，获得了Hakki-Paoli受测量系统分辨率影响大，在增益谱峰值附近由Hakki-Paoli方法得到的增益明显偏低的结论.

1　Fabry-pérot谐振腔增益谱

采用光谱仪测量Fabry-pérot激光器端面的发光，所测得的谱即所谓放大的自发发射(amplifiedspontaneousemission,ASE)谱.它被激光器的有源区放大并且被激光器端面所形成的Fabry-Pérot腔调制

(1)

其中Is为耦合到导波模式的自发发射，g为与波长相关的模式增益，R1、R2为Fabry-Pérot腔的端面反射率，n为等效折射率，L为谐振腔长，b为单程增益，可以表示为

(2)

基于Hakki-Paoli方法，可以获得

(3)

其中ASE(λ0)和ASE(λ±π)分别为Fabry-Pérot腔每个纵模的最大值和相邻的2个最小值.结合方程(2)和方程(3)，即可求得峰值波长处的净模式增益.

基于傅里叶级数展开(FSE)方法，定义波数β=2π/λ，选择一个纵模从β-π到β+π，将放大的自发发射按照傅里叶级数展开，其中m级系数

(4)

其中Δβ=βπ-β-π，则

(5)

其中ASE1与ASE0分别为放大自发发射谱的1阶和0阶傅里叶展开系数，C为与光谱仪分辨率有关的修正系数.

(6)

其中f(x)光谱仪的响应函数，即对线宽远小于光谱仪分辨率的单模激光的响应.

2　实验样品制备

表1为InAs/GaAs量子点激光器外延结构.在n型GaAs衬底上生长缓冲层，然后生长1.4μm的n-Al0.4Ga0.6As光限制层，然后生长5层InAs量子点，再生长1.4μm的p-Al0.4Ga0.6As，最后生长重掺杂的p+GaAs欧姆接触层，其中有源区使用了5层量子点结构以增加量子点的密度，提高发光强度.

将InAs/GaAs量子点半导体激光器的外延片用光刻胶做掩模，湿法腐蚀4μm宽的脊波导，采用SiO2做电隔离层，开电学窗口后蒸Ti-Pt-Aup-型电极，衬底减薄后蒸Au-Ge-Nin-型电极，然后解理成450μm的激光器管芯，最后将管芯烧焊在铜热沉上.

表1　InAs/GaAs量子点激光器外延结构Tab.1　Structure schematic diagram of InAs/GaAs quantum dot semiconductor lasers

实验测得所制备的InAs/GaAs量子点半导体激光器电压和光输出响应曲线如图1所示，其阈值电流约80mA，图2所示为在注入电流为100mA时的光谱图.

图1量子点激光器电压及输出光功率随注入电流的变化曲线

Fig.1Voltageandoutputpowerasfunctionsofinjectioncurrentforquantumdotlasers

图2注入电流为100mA时量子点激光器激射光谱

Fig.2Emissionspectrumattheinjectioncurrentof100mAforthequantumdotlasers

3　实验结果与分析

激光器工作的必要条件之一是存在增益介质，产生受激放大.当注入电流使得载流子浓度达到透明载流子浓度时，其增益等于内部损耗.随着注入电流的进一步增加，有源区粒子数进一步反转，此时，半导体材料能使对应波长的光产生放大作用，这个放大的能力可以用半导体材料增益描述.这种增益称为材料增益，一般用gmat表示.考虑到半导体激光器波导结构，与某一特定的波导模式对应的增益为模式增益，这就使得模式增益与材料增益之间相差一个系数——光限制因子Γ.光限制因子描述的是集中在有源区的光场能量占整个波导中光场总能量的比值.此外，光场在谐振腔中谐振过程中，会受到波导中自由载流子吸收损耗，界面处散射损耗等各种不同形式的光子损耗，用α表示.其中，激光器波导中模式的净模式增益gmod，材料增益以及损耗的关系可由下面的表达式给出gmod=Γgmat-α.公式(2)中g即为净模式增益gmod.

图3　注入电流为60 mA时，量子点 激光器放大的自发发射谱Fig.3　Amplified spontaneous emission spectrum with the injection current of 60 mA for the quantum dot lasers

图3给出了注入电流为60mA时，量子点激光器放大的自发发射谱，其表现为双峰结构，分别对应于量子点基态和激发态.局部放大如图所示，从中可以看出，放大的自发发射谱表现为波长的缓变函数，受Fabry-Pérot腔的调制作用，每个纵模的调制深度与端面反射率以及净模式增益有关.

图4给出了注入电流分别为10、40、70、80mA时，采用傅里叶级数展开方法获得的量子点激光器模式增益谱.从图中可以看出，在注入电流为10mA时，增益谱的峰值在1 310nm附近，其主要来自于量子点基态对增益的贡献.在整个测试波长范围内激光器的净模式增益均小于0，表明在此注入水平下载流子并没有达到透明载流子浓度，并不足以克服内部损耗.随着注入电流的增加，在40mA注入电流的情况下，波长1 300nm和1 210nm附近分别出现峰值，分别对应于量子点的基态与激发态对增益的贡献.1 300nm附近的增益峰值大于1 210nm附近的峰值，这主要是由于载流子从低能态往高能态填充，基态载流子对增益的贡献大于激发态.随着注入电流的继续增加，基态载流子出现饱和，表现为基态增益峰值基本不随注入电流的增加而增加，而激发态的增益峰值随着注入电流的增加而显著增加.

图5 分别采用傅里叶级数展开方法和Hakki-Paoli方法在注入电流为80mA和30mA时获得的净模式增益谱.当注入电流为80mA时，在激光器阈值附近，波长为1 204nm，分别采用傅里叶级数展开方法和Hakki-Paoli方法获得的模式增益分别为25.0cm-1和23.8cm-1，与激光器端面损耗相比较，可以看出在增益谱峰值附近由Hakki-Paoli方法得到的增益明显偏低.在注入电流为30mA时，采用傅里叶级数展开方法获得的增益谱仍高于Hakki-Paoli方法，如图5所示．在注入电流高于阈值电流时，激射的模式产生竞争使得模式增益无法准确测量．采用Hakki-Paoli方法测量模式增益简单，但它受测量系统分辨率影响大.傅里叶级数展开方法从单个纵模着手，系统分辨率的影响可以通过简单修正消除掉，并且由于傅里叶级数展开方法暗含了求平均过程，所以其受噪声的影响也要小于Hakki-Paoli方法.因此傅里叶级数展开方法获得的增益谱更为接近实际值.

图4注入电流分别为10、40、70、80mA时，采用傅里叶级数展开方法获得的量子点激光器模式增益谱

Fig.4Netmodegainspectraattheinjectioncurrentsof10,40,70,80mAbyFourierseriesexpansionmethod

图5分别采用傅里叶级数展开方法(FSE)和Hakki-Paoli方法在注入电流为30mA和80mA时获得的净模式增益谱

Fig.5Netmodegainspectrumattheinjectioncurrentof30and80mAbyFourierseriesexpansionmethodandHakki-Paolimethod

4　结论

本文实验制备了波长1.3μm的InAs/GaAs量子点半导体激光器，腔长450μm，脊型波导宽4μm，实现激射阈值电流80mA.由实验测得的放大的自发发射谱分别采用傅里叶级数展开方法和Hakki-Paoli方法获得了其增益谱，分析发现由于受测量系统分辨率影响，由Hakki-Paoli方法得到的增益谱在增益谱峰值附近明显偏低，这主要是由于测量系统分辨率的影响所导致的.通过对傅里叶级数展开方法进行系统分辨率的修正，可以消除其影响，获得更准确的增益谱.

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(责任编辑：孟素兰)

GaincharacteristicsofInAs/GaAsquantumdotlasers

WEIYuxin，CHENRuili

(CollegeofCriminalScienceandTechnology,People’sPublicSecurityUniversityofChina,Beijing100038,China)

Duetotheatom-likestatedensities,quantum-dot(QD)lasershaveanumberofuniqueopticalandelectronicproperties.Inthiswork,InAs/GaAsquantumdotsemiconductorlasersarefabricated,andtheirmodegainspectraaremeasuredbytheFourierseriesexpansionmethodandtheHakki-Paolimethod.Hakki-Paolimethodisfoundtobeinfluencedbytheresolutionofthemeasurementsystem,leadingtounderestimatedgain.Ontheotherhand,wefoundthatFourierSeriesExpansionmethodwithacorrectionfactorderivedfromtheresponsefunctionofthemeasurementsystemcanbeusedtoobtaingainspectrumwithhighaccuracy.

semiconductorlaser;quantumdot;modegain

10.3969/j.issn.1000-1565.2016.03.003

2015-04-17

中国人民公安大学基本科研业务费资助项目(2014JKF0013)

魏育新(1974—)，男，江苏徐州人，中国人民公安大学讲师，博士，主要从事半导体器件研究.

E-mail：weiyuxin@ppsuc.edu.cn.

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