1.55 μm脊波导大功率DFB激光器的研究

魏树威, 朱 尧, 周志强, 黄楚云

(1 湖北工业大学理学院, 湖北 武汉 430068; 2 武汉敏芯半导体股份有限公司, 湖北 武汉 430068)

激光作为光纤通信系统中信息传输的载体,随着信息时代的发展而受到越来越多的关注。对于产生激光的光源,半导体激光器以其易于集成、电光转换效率高、可靠性高等优点,得到了越来越多的应用。由于光纤传输自身存在一定的损耗,在应用上,我们不仅需要发射的激光波段尽量匹配光纤的低损耗窗口[1],也需要注意提高激光器的输出功率以满足实际应用需求。本文研究的即是1550 nm的大功率激光器。

目前对波长较短的大功率激光器的研究相对更多,而对在1550 nm光谱范围内发射的大功率半导体激光器,仅有少数相关研究团队与商业公司做过成果报告[2-5]。这是因为随着激光器激射波长的增加,器件热效应会更加明显,价带间吸收也会受影响加重,导致输出功率功率降低[6]。为保证在长波长下的大功率输出,不仅需要对器件结构做合理的优化,也需要保证器件在高温状况下工作的稳定性。

本文从理论分析出发,研究设计了两种结构的大光腔脊波导DFB芯片,并分别选取了不同腔长的器件测试其PI曲线、远场强度曲线及功率受温度的影响表现,并对测试结果进行了一定的分析比较。从这些角度来表征大功率含铝InP激光器的输出特性,并基于研究结果提出了大功率激光器在结构设计上的一些优化方案。

1 设计结构及特点

DFB激光器波导设计一般采用脊波导或者掩埋异质结两种波导结构。相较于掩埋异质结结构,脊波导具有结构及工艺流程简单、制造成本低等优点,且可以减小芯片的RC常数,有效降低芯片中的各项寄生参数[7]。本文设计的芯片均采用脊波导结构设计。

在激光器的外延设计中,通常会采用非对称的波导结构。由于器件外延层中p侧区域对器件内部的光损耗更大,而非对称波导结构能够将光场扩展到n侧,减少其与p掺杂区域的重合,从而达到了提高输出功率的效果[8-9]。目前常用的非对称波导设计有三种形式,分别为:有源区上下限制层不对称、插入非对称波导层、插入多层结构的光束扩展层[10-11]。本文采用前两种结构设计,制作了相应的芯片样品并进行测试比较。两种结构的部分示意如图1所示(左侧为A组加厚n侧限制层设计,右侧为B组多加了一个n侧波导层设计)。

图1 两种芯片部分外延结构示意图

两组芯片均是先在InP基底上生长如图所示部分结构,然后在其上再继续生长腐蚀停止层、光栅层及脊结构部分,形成不同结构的DFB激光器芯片。两组芯片的有源区均由3个压缩应变InAlGaAs量子阱和4个拉伸应变In0.456Al0.206Ga0.338As势垒组成,主要区别在于,A组芯片的n侧限制层加厚至0.54 μm,并仅在p侧限制层通过改变Al的含量形成梯度折射分离约束结构,通过不对称的限制层结构将光场扩展到n侧;而B组芯片在n侧限制层外多生长了一个n掺杂波导层,并且芯片有源区两侧限制层均采用梯度折射分离约束结构,形成不对称的波导结构。由于InAlGaAs材料比相同带隙的InGaAsP材料有更小的折射率[12],故含Al波导层设计不仅对载流子有很强的限制,也对光场提供了良好的光学限制。

两种外延结构均通过形成非对称波导,来抑制大光腔结构可能导致的高阶模激射现象;并且由于p侧空穴对光的吸收损耗更强,而光场因为非对称结构被扩展到n侧,降低了光子的吸收内损耗,有利于抑制包层中的非辐射重组影响,提高了器件的电光转换效率[13]。

2 测试结果

针对两组不同设计结构的器件,分别选取了部分芯片进行测试。图2和图3分别是针对500～1200 μm腔长的两种芯片的功率测试结果。

图2 A组芯片不同腔长对输出功率影响

图3 B组芯片不同腔长对输出功率影响

可以观察到,当腔长较小时,在较高电流注射下,芯片会有比较严重的热饱和现象,从而影响其输出功率;而当腔长加长到800 μm时,两组芯片在500 mA电流下均还未出现热饱和。这是由于腔长较小时,芯片的内阻热阻较大,加剧了器件的热积累;而长的器件腔长虽然可以有效降低器件的阻抗,但是也会提高芯片的阈值电流并影响其斜率效率,使得芯片最大输出功率下降[14]。对于相同腔长的芯片,B组在相同输入电流下的功率比A组更小。

样品芯片的阈值电流均随腔长增长而逐渐增大,且两种芯片均在800～900 μm腔长时能获得最大输出功率。考察芯片的电光转换效率,对于A组芯片,斜率效率在腔长为800 μm时最大,为0.347,而B组芯片的斜率效率在500 μm腔长时最大,为0.285。且相同腔长条件下,A组芯片的斜率效率一般均优于B组,这说明A组的电光转换效率相较于B组更优。

图4为分别选取两组实验芯片的600、800、1000 μm腔长的样品,测试其在500 mA工作电流下的远场特性曲线,其横轴为发散角角度,纵轴为光场相对强度。可以观察到,两组芯片的水平发散角都差不多,在16°～18°左右,但相较于A组实验芯片,B组芯片在垂直方向上的发散角明显更小,B组芯片的垂直发散角约为23°～25°,A组的为46°～ 47°。这表明B组芯片的光斑尺寸相较于A组更大。分析其原因应是B组芯片在n侧插入的波导层使更多的光被扩展到了下包层,从而扩大了激光器的近场分布,减少了垂直光束的发散。

图4 部分腔长芯片的远场发散角测试

图5显示了在不同温度条件下的不同腔长芯片的输出曲线变化情况。图5a-d中分别为A组芯片不同腔长在25℃、45℃、65℃、85℃时的PI特性曲线,图5e-f为B组的测试结果。从图中可以观察到,芯片的输出功率在不同温度下随腔长变化的规律一致。当腔长较小时,芯片输出功率受温度影响更大,500 μm腔长的两种芯片在85℃时的输出功率不足常温下的一半;当腔长较长时,芯片输出功率的下降较小。并且,随着温度的升高,我们可以明显观察到芯片的阈值电流均随着温度的升高而增大。这是因为当器件有源区温度升高时,热电子将更容易从量子阱进入势垒和波导层参与复合,降低了芯片的内量子效率,从而影响其最大输出功率[15]。

图5 部分腔长芯片在不同温度下的PI曲线

对半导体激光器,其串联电阻主要是由衬底电阻及P型波导层串联电阻决定;而除电阻外,热阻也常常是影响激光器输出性能的重要因素,低的热导将会提高器件内损耗。

考察图6芯片的UI曲线,可以通过对芯片的UI曲线进行线性拟合以得到芯片在当前温度下的阻值。结果表明,两组芯片在相同条件下的阻值相差不大,且其阻值随温度变化也不明显。

图6 部分腔长芯片在不同温度下的UI曲线

3 结论

为了设计出具有良好输出特性的大功率激光器,采用InAlGaAs/InP材料制作了两种非对称结构的脊波导DFB激光器,并选取不同腔长样品进行测试。测试结果表明两种结构在适当腔长下均能实现高温工作的稳定。采用加厚n侧限制层形成非对称结构的设计制作的DFB激光器在相同注入电流下能产生更高的功率,且光斑尺寸也更大,有利于光纤耦合。对800 μm腔长的A方案芯片,室温条件下在500 mA输入电流下的功率为155 mW,阈值电流约25 mA,基本满足了目前市场对大功率激光器芯片的参数需求。实验结果表明我们关于含铝大功率DFB激光器的理论分析对结构外延的优化设计有很好的指导意义,为之后的进一步研究规划了方向。