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表面周期性电注入实现增益耦合半导体激光器的研究

马德正  
【摘要】:二十一世纪是信息时代,信息学科和信息产业的迅猛发展离不开微电子技术、光电子技术、通信技术、计算机科学与技术以及自动化、精密机械等科学技术综合发展。分布反馈(DFB)半导体激光器作为微电子器件的重要元件,以其单模成品率高、光电转化效率高、窄线宽、易于单片集成、可直接调谐的特性逐步成为光纤通信、医疗、材料加工等日常生活领域不可或缺的重要光源。传统的折射率耦合(Index-Coupled)DFB半导体激光器存在模式简并的问题,尽管引入λ/4相移光栅可以实现单模、窄线宽的激光输出,但在激光器内部不均匀的光子分布会导致空间烧孔效应,大大影响激光器的输出特性。另一种方案为增益耦合(GC,Gain-Coupled)DFB半导体激光器,其主要优势在于高的增益对比、单模成品率高以及由于驻波效应带来的高稳定性,但是传统的增益耦合DFB半导体激光器需要高精度的光栅刻蚀技术以及二次生长外延技术,这使得激光器的制作成本与工艺难度大幅增加,不利于其大批量生产和广泛应用。因此,本论文创新性的提出采用普通i-line光刻技术和等离子刻蚀技术,利用较为简单的芯片制造工艺,设计并制备1045 nm纯增益耦合DFB半导体激光器,实现了低阈值、高效率、高稳定性的单模激光输出。由于纯增益耦合激光器的内部增益耦合效应系数较小,激光器内部F-P效应显著,容易加剧激光器内部的模式竞争,导致激光器的输出模式不稳定,出现多模输出的现象。为了实现波长的精准锁定,创新性的提出了基于不同倾斜角度的795 nm纯增益耦合半导体激光器倾斜波导阵列。通过物理模型的建立、模拟仿真以及器件制备,从实验和理论上分析并验证了倾斜波导增益耦合半导体激光器的输出特性与对应的倾斜角度之间的关系,并且通过改变倾斜角度实现了一定的可调谐性能,对未来倾斜波导的结构设计有着重要意义。具体的研究内容及研究成果如下:(1)建立具有增益耦合机制的半导体激光器物理模型,根据耦合模理论与传输矩阵的方法对激光器内部原理进行分析,通过COMSOL Multiphysics、Rsoft、Matlab等商业软件进行模拟仿真,计算激光器内部的载流子分布、增益曲线、耦合系数以及光场分布,并根据仿真的结果对激光器的相关参数进行优化,获得了器件结构的优化方案。(2)设计并制备了表面周期性电注入实现激射波长在1045 nm的纯增益耦合分布反馈半导体激光器。利用周期性电极实现了有源区内部载流子的周期性分布,进而实现了较大的增益对比,对折射率的虚部进行了调制,最终实现了纯增益耦合机制。器件的阈值电流为40 m A,在240 m A的电流下的输出功率达51.9m W(HR和AR镀膜),远超过文献中报道的单模增益耦合DFB半导体激光器(单腔面输出功率15.42 m W)。斜率效率达0.24 W/A,超过钛金属表面光栅增益耦合分布反馈半导体激光器(约0.11 W/A)的2倍。单模区间的范围内,最大边模抑制比超过35 d B,最窄线宽为1.12 pm,远低于文献报道的侧向耦合光栅的结构(约160 pm)以及高阶表面光栅型(线宽小于40 pm)增益耦合分布反馈半导体激光器。器件采用了和法布里-珀罗激光器几乎同样的工艺流程,大幅简化了增益耦合DFB半导体激光器的制作方法,对其大规模制造加工和广泛应用有着重要的推动作用。(3)设计并建立了倾斜脊形波导的物理模型,通过改变脊形波导的倾斜角度来改变有效光栅周期。通过COMSOL Multiphysics软件进行模拟仿真,得到了倾斜角度与激光器腔面反射率的关系,计算了倾斜波导所带来的激光器腔面损耗,进一步分析由于倾斜波导所引起的对激光器性能的影响。与传统的分布反馈激光器不同,倾斜波导纯增益耦合半导体激光器的输出特性与腔面反射率相关,倾斜角度越大,腔面反射率越小,也就意味着激光器的输出峰值功率随着倾斜角度的增加而减小,阈值电流随倾斜角度的增加而增大。(4)制备倾斜脊形纯增益DFB半导体激光器,来验证倾斜波导所带来的对激光器输出性能的影响。通过设计不同的倾斜角度来实现不同光栅周期,不同角度的光栅周期对应于激光器不同的激射波长,从而实现了激光器的可调谐特性。器件被解理成2 mm腔长,包含设计的5种倾斜角度,分别为0°、0.39°、1.86°、2.60、3.65°。在20℃的测试结果表明,5种倾斜角度的波导所制成的激光器的输出功率均超过了30 m W,输出光谱的边模抑制比均超过30 d B,波长的覆盖范围从789.392 nm到798.048 nm,共8.656 nm,覆盖了铷原子泵浦的吸收峰。验证了倾斜波导纯增益耦合半导体激光器输出峰值功率随着倾斜角度的增加而减小,阈值电流随倾斜角度的增加而增大的分析结果。另外测试的结果还表明倾斜波导的应用会降低激光器的波长随电流的漂移系数,提高激光器稳定性。本文提及的表面周期性电注入实现的增益耦合半导体激光器均是采用与FP激光器相似、较为简单的工艺制备技术。与目前采用精密光刻技术或二次外延制备方式相比,其优点在于制备工艺简单、容差大、可重复性高,能够满足工业化批量生产的需求。本文提及的表面周期性电注入增益耦合分布反馈半导体激光器的性能参数指标满足应用需求,但是其成本低和生产周期较短,在军事国防、工业生产加工、光通信、医疗美容等领域具有巨大的商业价值和应用前景。


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