高光束质量垂直腔面发射激光器同相耦合阵列

许 坤，付林杰，钟发成，杜银霄*，荀 孟

(1.郑州航空工业管理学院 理学院，河南 郑州 450046；2.中国科学院 微电子研究所，北京 100029)

1 引 言

垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一种理想的面发射光源，具有光束质量好、调制频率高、单纵模、低阈值、易于实现片上测试、生产成本低等特点，得到了日益广泛的应用[1]。与边发射激光器相比，垂直腔面发射激光器的缺点是输出功率较低。将激光器单元集成二维阵列可提高面发射激光器的输出功率，但常规的阵列光束质量和光谱特性都不好。采用相干耦合阵列方法可获得高功率高光束质量和高光谱质量的激光，为实现高性能高亮度激光源提供了一种手段[2-3]。一般来说，如果阵列每个单元的激光相位与其他单元同相，则整个阵列工作在同相模式下，便可以产生窄的光束。且阵列的发散角与阵列单元数成反比关系[4]，阵列规模较大时，光束质量更好[5]。

目前已有多种方法用来制作VCSEL相干耦合阵列。例如空气隙和反射率调制[6-7]。然而，这样的阵列往往工作在反相模式，其远场上表现出中心强度最小值，因而在许多应用中受到限制。利用光子晶体耦合结构能够实现阵列同向模式输出，但是需要严格设计且制作光子晶体要求高的刻蚀精度[8]。腔诱导反波导结构能够提供单元之间的强耦合，支持稳定的同相模式，但是在制作过程中需要二次外延的工艺，工艺难度较大，成本高[9]。近期出现的质子注入限制耦合VCSEL阵列方法工艺简单。其中质子注入区域既能起到电流限制和单元间电隔离的作用，又有光耦合的作用。通过正确选择质子注入深度和合适的耦合间距，便可以激射出同相阵列模式。1×2同相质子注入型阵列首先被Choquette等报道[10]。后来本课题组也报道了2×2、3×3同相耦合阵列[11-12]，实现了7单元阵列的大电流工作范围的同相耦合输出[13]。一维和二维阵列模式特性与间距的关系也已进行了研究[14]。在这些阵列中，阵列单元的注入电流是相同的。虽然我们的器件设计支持同相模式激射，但是在实际的测试中，反相模式及中间模式也会常常同时出现。这是因为外延结构和制作工艺的任何不均匀，都会造成单元的差异，引起相对相位差。因此，对单元相位的严格控制是获得同相模式的重要条件，阵列的光束质量也会得到优化。

本文通过多次质子注入工艺使阵列单元间完全隔离，设计了新型电极实现单元内注入电流的分别控制。通过控制电流的分别注入，实现了3单元三角排列阵列的高光束质量同相模式的耦合输出。

2 制备工艺

器件外延结构通过金属有机物化学汽相淀积生长。共包含22.5对P型DBR和34.5对N型DBR.有源区包含3对 GaAs-Al0.3Ga0.7As 量子阱，激射波长为850nm。器件的制作工艺如下：首先，在外延片表面通过PECVD淀积3μm的二氧化硅，通过一步光刻工艺定义出单元图形。通过ICP刻蚀，形成厚的质子注入的掩膜。之后进行关键的质子注入工艺，质子注入的剂量为1×1015cm-2，最大注入能量为315keV.为了达到单元间的完全绝缘效果，同时施加了多次小能量的叠加注入。为了使电流通过电极注入到单元内，我们在单元和电极区域淀积了金纳米层，形成电极到各单元的电流注入通道。金纳米层的引入会减小表面方阻，但是也会使透光率降低，考虑到二者的折中，在实验中选取的金纳米层的厚度约为4nm。之后在外延片正表面制备15/300nm的Ti/Au电极。减薄衬底至100μm左右，在外延片背面溅射50/300nm的AuGeNi/Au电极。阵列的单元设计为6μm的正方形。参考之前的实验结果，单元间距设计为4μm来实现同相模式的输出[14]。图1为设计的3单元三角阵列的器件结构截面图(A-A′方向)和实际的电极图案。

图1(a)双电极阵列结构沿A-A′方向剖面图；(b)实际的电极结构。
Fig.1(a)Dual electrode array along A-A′ direction profile.(b)Actual electrode structure.

3 测试结果与讨论

首先对3个单元分别单独进行电流注入，测试的P-I-V(光功率-电流-电压)特性曲线如图2所示。插入的近场图分别对应3个单元注入电流为3.8，4.5，3.8mA时的激射情况。可以看出，只有对应的单元激射，意味着电流完全限制在相应的注入孔内。测试得到的电极间的电阻达到了6.5×106Ω，可以实现单元的有效绝缘。3个单元的阈值电流分别为3.3，4.25，3.5mA，串联电阻分别为99.8，93.8，89.9Ω。在注入电流为5.0mA时，出光功率分别为0.648，0.278，0.650mW。由此可以看出3个单元存在明显的差异。这主要是由于在制作过程中，不管是光刻工艺，还是ICP刻蚀工艺均存在不均匀性，这种不均匀性会造成器件的阈值、串联电阻以及输出功率的差异。如果3个单元注入电流相同，这些不均匀性会引起单元之间的相对相位差，无法保证阵列工作在同相模式下。单元间相位差的存在会造成远场次光斑的能量比例增大以及轴向远场峰值的偏移，影响光耦合效率。图2(d)为3个电极同时注入相同电流时的测试结果。横坐标为3个单元的注入电流总和，此时阵列的阈值电流为8mA，相对于3个独立单元的阈值电流之和有所减小，我们认为这是由于光耦合有利于增益的提高。阵列串联电阻为39.1Ω。注入电流为9mA下测试的二维和三维远场图案如图3所示。实验中所有的近场图案通过光学显微镜与数字CCD连接测试，远场由光束质量分析仪(Spiricon SP620)测试得到。从远场中可以看到，轴向中心光斑稍向下偏移，旁边的6个次光斑能量分布不均匀，而且次光斑的能量比例增大，中心光斑与次光斑的强度比大约为1.5∶1，中心光斑占总能量的比例为19%。

图2 1×3阵列的1(a)、2(b)、3(c)号单元单独注入电流和同时注入电流(d)的P-I-V特性曲线。Fig.2 P-I-V characteristic curves of 1(a), 2(b) and 3(c) unit with current injecting separately and the array with current injecting simultaneously(d).

半导体材料的折射率受温度和载流子的双重影响。一方面，器件工作时温度升高会引起材料的折射率增大，改变量一般为∂n/∂T=4×10-4K-1，其中T为温度。另一方面，载流子的注入会引起折射率减小，改变量一般为∂n/∂N=-10-21cm3，其中N为载流子浓度。因此，单元内注入电流的变化会引起单元内材料折射率的变化，从而引起单元内激射波长的改变，最终使激光相位改变。为了实现阵列各单元间的同相耦合，电流的注入通过分离电极控制，采用两两匹配的方式，通过电流的调节，让每两个单元的相位同相，最终获得3个单元的同相位工作。图4为测试的单元1、单元2和单元3在注入电流分别为3.2，2.8，3.1mA下的近场和远场图案。从近场图案中看到，3个单元的光斑强度大致相同，在每两个单元间出现了耦合的小光斑，代表了同相耦合模式的输出。从远场图案看，强度最大值出现在轴向中心，周围出现6个基本对称的次光斑。阵列的能量主要集中在中心光斑，比例大概为25.6%。此时中心光斑的远场发散角仅为3.4°，而相同结构的单个激光器的发散角为10°。大大减小的发散角体现了同相相干耦合阵列的优势。图5为测试的该阵列的激射光谱，可以看出只有1个峰值出现，没有多余的模式激射，说明阵列工作在单模状态。光谱的线宽为0.24nm，边模抑制比为27dB。

图3 测试阵列在9 mA电流下的近场(a)、二维(b)和三维(c)远场图案。Fig.3 Near field(a), two-dimensional(b) and three-dimensional(c) far-field patterns of the array at 9 mA, respectively.

图4 三单元阵列在注入电流分别为3.2(a)，2.8(b)，3.1(c) mA下的近场和远场图案。Fig.4 Near field and far-field patterns of three cell arrays at 3.2(a), 2.8(b), 3.1(c) mA, respectively.

图5阵列在单元1、单元2和单元3注入电流分别为3.2，2.8，3.1mA下的激射光谱。
Fig.5Lasing spectra of the array under unit1, unit2and unit3injection current of3.2,2.8,3.1mA, respectively.

从以上的测试结果可以得出，阵列单元之间的相位差可以通过注入单元电流的控制而改变。通常我们为了得到高光束质量的阵列，尽量使单元间的相位差为0，即各单元趋近于同相状态。为了说明单元相位差对相干耦合阵列光束质量的影响，我们利用FDTD-solution软件模拟了阵列远场随单元相位差的变化。建立阵列简化的模型，模型包含有源区和DBR，模型尺寸与实际器件的尺寸一致。设定每个单元为直径为6μm的圆形，单元间距为4μm。假设每个单元内有源区发出的激光为高斯光束光源，从有源区激射，通过P型DBR后进入空气。在P型DBR与空气界面处设置一个探测器，用来接收光场分布。边界条件设定为完全吸收边界条件，在X方向和Y方向上对称。

图6为模拟的不同的相位组合下，阵列的远场分布图案。模拟中设定的单元的相位也呈现在图中，从模拟结果发现，当3个单元相位均设定为0即完全同相时，远场的中心光斑才出现在轴向中心位置，中心光斑与周围光斑的强度对比最大，此时耦合效率也最高。只要任何单元与其他单元出现相对相位差，中心光斑便会偏离轴向中心位置，周围光斑的强度也会随之增大，能量聚集在中心光斑的比例降低。可见，单元的相位控制对相干耦合阵列的光束质量有着重要的意义。实验中通过电流的控制从而改变单元间相对相位的方法，在一定程度上能够弥补制作工艺中带给单元的不均匀性，对促进器件的实际应用有着重要的意义。

图6 模拟的单元间相位差对阵列远场特性的影响Fig.6 Influence of phase difference between arrays on far-field characteristics of array

4 结 论

制备了新型分离电极结构的3单元三角排列的质子注入型垂直腔面发射激光器相干耦合阵列。通过对每个电极注入电流的独立控制，实现了对单元相位的分别控制，获得了具有高光束质量的同相模式的激射。阵列远场发散角仅为3.4°，大约有25.6%的全部能量聚集在中心光斑。光谱为单模激射，线宽为0.24nm，边模抑制比为27dB。

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