半导体激光器面面观

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半导体激光器面面观
4 b+ H5 L1 P# r3 p0 J% S/ x来源：信息产业部重庆光电技术研究所 作者：罗君

- B' C" T: r/ U& Z' w% a    量子阱(QW)激光器
    (1)QW激光器
    随着金属有机物化学汽相淀积（MOCVD）技术的逐渐成熟和完善，QW激光器很快从实验室研制进入商用化。QW器件是指采用QW材料作为有源区的光电子器件，材料生长一般是采用MOCVD外延技术。这种器件的特点就在于它的QW有源区具有准二维特性和量子尺寸效应。QW激光器与体材料激光器相比，具有阈值电流小、量子效率高、振荡频率高的特点，并可直接在较高的温度下工作。
5 v) a" O" t7 }& X# J    (2)应变QW激光器
    为了进一步改善QW激光器的性能，人们又在QW中引入应变和补偿应变，出现了应变QW激光器和补偿应变QW激光器。应变的引入减小了空穴的有限质量，进一步减小了价带间的跃迁，从而使QW激光器的阈值电流显著降低，量子效率和振荡频率再次提高，并且由于价带间跃迁的减小和俄歇复合的降低而进一步改善了温度特性，实现了激光器无致冷工作。在阱和垒中分别引入不同应变（张应变/压应变）实现应变补偿，不仅能改善材料质量，从而提高激光器的寿命，而且可利用压应变对应于TE模式、张应变主要对应于TM模式的特性，制作与偏振无关的半导体激光放大器。
    引人瞩目的是，GaSb基锑化物材料的研究多年来倍受重视，因其波长覆盖范围宽，可从1.7m延展到4.5m，但材料生长和器件制作比较困难，1990年以前器件性能指标较低。经过近十年的努力，目前MBE生长GaSb基锑化物应变量子阱激光器已在1.9 2.6m波段先后获得室温连续大功率工作的突破。
    (3)我国QW激光器的进展
( @* E) ]- S! \, g    我国从1993年年底开始利用AIX200型低压MOCVD系统进行QW器件的开发，现已开发出几十种InGaAsP系列、AlGaInAs系列材料和两种系列的应变QW材料，QW器件的开发也取得丰硕的成果，完成了多项"863"项目，已形成产品的主要有如下器件：
0 |! t) z; q+ ~2 A6 L3 F6 N' Z    （1）普通1.3 m QW激光器，国内首批实用化的QW激光器产品，1995年开始大量使用于移动通信光纤传输直放站。
    （2）应变QW DFB激光器系列产品，波长覆盖1.5～1.57 m，1996年底批量生产并正式投放市场，主要作为2.5Gb/s SDH系统和WDM系统发射和信道监控光源。
    （3）大功率高线性1.3 m应变QW DFB激光器，1997年小批量使用于CATV光发射机。
    正在开发的器件有：
- r* e4 G6 G* f    （1）1.3 m、1.55 m AlGaInAs高温无致冷应变QW激光器，"863"项目。
    （2）1.3 m、1.55 m补偿应变InGaAsP QW半导体激光放大器，"863"项目。
    （3）2.5 Gb/s用的QW DFB激光器与电吸收型调制器的单片光集成器件。
QW激光器是发展高速光纤通信系统国家急需的关键器件。由于此项关键技术的突破，大大推动了我国光纤通信技术的发展。

: v  E! M% }$ |- R* `    分布反馈（DFB）激光器
    DFB 激光谱线宽度要小于0.04nm，而且 DFB 激光波长随温度的漂移相对较小，并具有高的边模抑制比。这些特性使得 DFB 激光器非常适合密集波分复用 (DWDM) 的通信应用。
    (1)增益耦合DFB激光器
, ~, e" G7 H+ Y8 j3 m    增益耦合DFB激光器由于它的发射模落在中心的基模上，从物理上保证了它必然是单纵模的动作，单纵模成品率很高，比常用的折射率耦合DFB制作工艺难度小，成本也比较低，同时它还具有其他的优点，如对背反射光的抑制等。最成熟的器件材料系，首推InGaAsP/InP MQW材料。
- {1 d2 r6 p- I6 B    (2)电吸收调制DFB激光器（EML）：
2 s) l# G1 ~# w! s0 Y0 {    直接调制DFB激光器受到驰振荡效应的限制，响应速率难以越过5 Gb/s，同时在高速率下，由于伴随着很大的正啁啾和负啁啾，使传输性能降低。直接调制的DFB激光器通常引入MZ调制器和电吸收调制器这两种调制器，从光网络体系考虑，调制器宜结构简单并能与DFB激光器实现单片集成。电吸收调制器比MZ调制器更有吸引力是因为它可以与DFB激光器单片集成使结构紧凑，并且省去了偏振控制。韩国大学无线电工程学院研制出了用于高比特速率和长拖曳光通信系统的集成10Gb/s电吸收调制的DFB激光器，实现了超过130km标准光纤的无损耗传输。
    (3)可调谐DFB激光器
/ w' F' _7 n) }( {  n5 J! t( v    德国科学家日前演示了一种价格便宜的在整个可见光谱区内可调的DFB薄膜有机物半导体激光器。这种DFB的发射波长范围由薄膜的厚度控制。薄膜材料为AlqCM。并采用聚乙烯对苯二亚甲基（PET）的可弯曲薄片作为衬底。科学家根据Alq：DCM薄膜的厚度不同（从120nm到435 nm）制作了几种DFB激光器。当薄膜厚度为120 nm时，激光器波长为604 nm；厚度为435 nm时，激光器波长为648 nm。实现了30nm的连续可调谐范围。
7 O- ^, {; L3 r4 A' X    (4)光纤光栅DFB激光器
    若把光纤布拉格光栅作为半导体激光器的外腔反射镜，就可以制出性能优异的光纤光栅DFB激光器。这种激光器不仅输出激光的线宽窄，易与光纤耦合，而且通过对光栅加以纵向拉伸力或改变LD的调制频率就能控制输出激光的频率和模式。光纤光栅DFB激光器，其线宽小于15kHz，甚至可达1kHz，边模抑制比大于30dB，当用1.2Gb/s的信号调制时，啁啾小于0.5MHz，信噪比高达60dB。

    大功率激光器
    近年来，大功率半导体激光器阵列得到了飞速发展，已推出产品有连续输出功率5Ｗ、10Ｗ、15Ｗ、20Ｗ和30Ｗ的激光器阵列。脉冲工作的激光器，峰值输出功率50Ｗ、120Ｗ、1500Ｗ、和4800Ｗ的阵列也已经商品化。
, P/ I/ y* {# s4 _$ H    1)808 nm InGaAsP无铝大功率激光器
: X1 q4 ^9 k1 V/ L0 y7 C    美国相干公司的半导体研究所研制了一种无铝激光器，其准连续波功率为50W，工作温度高达75℃。在峰值功率为55W时测量，经109次400 s脉冲后其功率衰减＜9%。峰值功率为60 W时，占空比为30%，激光器的半最大值全宽（FWHM）为2.2 nm。此无铝激光器还具有抗暗线和污斑缺陷、抗断裂、抗衰变和抗氧化等能力。保持高电光转换的InGaAsP激光器棒具有窄线宽发射，低光束发散等特性，适用于航空电子学中作二极管泵浦固体平板激光器，医学和工业等领域。
    (2)具有小的垂直束发散角的808 nm 大功率激光器
    半导体激光器发射时一般在平面垂线到外延层间存在大的发散束，这种发散是因为在有源层附近的上百个纳米区存在很强的光场限制，降低了最大输出功率，并且由于高的光强而对体半导体或面半导体造成灾变性光学损伤（COD）。
    德国采用将高折射率层插入两层包层之间的方法，减少光束发散和光场限制，提高了半导体激光器的可用性，增强了光输出功率。阈值电流密度为280 A/cm2，转换效率接近50%，输出功率达2W。
    垂直腔面发射激光器
    VCSEL(垂直腔面发射激光器)及其阵列是一种新型半导体激光器，它是光子学器件在集成化方面的重大突破，它与侧面发光的端面发射激光器在结构上有着很大的不同。端面发射激光器的出射光垂直于晶片的解理平面；与此相反，VCSEL的发光束垂直于晶片表面。它优于端面发射激光器的表现在：
' z" J# N. G3 z( ~. Y+ L* i7 X    易于实现二维平面和光电集成；圆形光束易于实现与光纤的有效耦合；有源区尺寸极小，可实现高封装密度和低阈值电流；芯片生长后无须解理、封装即可进行在片实验；在很宽的温度和电流范围内都以单纵模工作；价格低。
5 Z. C1 F# g; Q( a9 |    (1)结构
" {! |. n$ T% V6 W2 j6 h    (2)衬底的选择
    硅上VCSEL
' K) i! Q% [( r/ d- f5 f4 l7 o+ Z% [    在硅（Si）上制作的VCSEL还不曾实现室温连续波工作。这是由于将AlAs/GaAs DFB直接生长在Si上，其界面不平整所致，使DFB的反射率较低。 日本Toyohashi大学的研究者由于在GaAs/Si异质界面处引入多层（GaAs）m（GaP）n应变短周期超晶格（SSPS）结构而降低了GaAs-on-Si异质结外延层的螺位错密度。
    蓝宝石上VCSEL
; [; ?( G/ h0 \" g/ _3 b0 e    美国南方加利福利亚大学的光子技术中心为使底部发射850nm VCSEL发射的光穿过 衬底，采用晶片键合工艺将VCSEL结构从吸收光的GaAs衬底移开，转移到透明的蓝宝石衬底上，提高了wall-plug效率，最大值达到25%。
    GaAs上VCSEL
5 C$ e& U6 f6 t0 G    基于GaAs基材料系统的VCSEL由于高的Q值而备受研究者青睐，目前VCSEL最多也是生长在GaAs衬底上。但以GaAsSb QW作为有源区的CW长波长VCSEL发射波长被限制在1.23 m。发射波长1.3 m的GaAsSb-GaAs系统只有侧面发射激光器中报道过。日前美国贝尔实验室的F.Quochi等人演示了室温CW时激射波长为～1.28 m的生长在GaAs衬底下的光泵浦GaAsSb-GaAs QW VCSEL。这个波长是目前报道的GaAsSb-GaAs材料系最长的输出波长。
    (3)新工艺
    氧化物限制工艺
) y3 f  E7 G/ R- {; l    氧化物限制的重大意义在于：能较高水平地控制发射区面积和芯片尺寸，并能极大地提高效率和使光束稳定地耦合进单模和多模光纤。因此，采用氧化物限制方案器件有望将阈值电流降到几百Ａ，而驱动电流达到几个mA就足以产生1mW左右的输出光功率。
    采用氧化孔径来限制电流与光场，使效率得到显著提高，同时降低了VCSEL的阈值电流。所以，现在极有可能在单个芯片上制作大型和密集型封装的氧化限制VCSEL阵列而不会存在严重的过热问题。除低阈值电流和高效率外，均匀性是成功的VCSEL阵列的又一重要因素。在驻波节点处设置微氧化孔提高了VCSEL阵列的均匀性，并降低了小孔器件的散射损耗。美国University of Southern California大学日前演示的均匀晶片键合氧化限制底部发射850nm VCSEL阵列中，5 5 VCSEL阵列的平均阈值电流低至346 A，而平均外量子效率接近57%，室温连续波电流激射时单模输出功率超过2 mW。他们还演示了大（10 20）VCSEL阵列，其阈值电流和外量子效率的变化分别低于4%与2%。
9 l6 _4 M+ p) g8 {4 e* R8 T  N" Q% ^    晶片键合工艺
    长波长垂直腔面发射激光器（LW-VCSEL）因其低价格、超低阈值和小的光束发散，作为光纤通信系统中的激光源有很大的潜力。但是由于它的氧化层和有源层间存在着为满足足够的电流传播和弱的光横向限制的固有距离，使LW-VCSEL遭受横电光限制，因此在高的结电流时会出现一个不稳定的横模图形。
    日本NTT光子实验室将具有充分的横向限制的掩埋异质结（BH）引入1.55 m VCSEL中，采用了薄膜晶片键合工艺使InP基掩埋异质结VCSEL制作在 GaAs-DBR 上。具体过程:（a）采用MOCVD生长InP 基激光器结构（第一次生长）；（b）采用反应离子刻蚀（RIE）形成台面方形；（c）再一次生长掺Fe InP层和n-InP层（第二次生长）；（d）又一次生长p-InP相位匹配和p-InGaAs接触层（第三次生长）；（e）将外延层安装在Si板上并用蜡作机械支撑；（f）采用HCl和H3PO4化学溶液腐蚀InP衬底和InGaAsP腐蚀中止层；（g）将InP基和GaAs基层的两表面在相同结晶方向面对面放置，然后在室温下蜡熔解而使Si片分开，将样品送入退火炉以形成化学键合；（h）将台面上部的p-InGaAs移开并将普通电极和SiO2-TiO2介质镜从台面上移去。底部涂覆一层抗反射涂层。
. N. e  D% V9 \/ I! j# V    因为熔合界面远离有源区，而且它不在器件电流通过的路径上，所以晶片键合过程不会影响器件特性。
& o% q4 _$ a4 O- W6 o$ S8 M0 w    此LW-VCSEL结构有以下优点：首先，谐振腔波长可在晶片融合之前监控，因此发射波长可以提前控制。第二，激光器工作的可靠性会由于有源层和InP-GaAs熔合界面之间有足够距离而变得很高。此外，它能低电压工作的潜力在很大程度上是因为p-GaAs-AlAs DBR和p-InP-p-GaAs界面间的高电阻得到了消除。

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