概覽

為了應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)流量的快速增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)中心增加了通道數(shù)量。然而，目前的系統(tǒng)每個(gè)通道使用一個(gè)半導(dǎo)體激光器，由于元件數(shù)量的增加，功耗和成本都更高。為了克服這些挑戰(zhàn)，有人提出了一種新方法，即將來(lái)自單個(gè)高輸出功率激光器的光分支以創(chuàng)建多個(gè)通道。然而，現(xiàn)有的電信激光器在單模激光輸出方面已經(jīng)達(dá)到了實(shí)現(xiàn)高輸出功率的極限。因此，我們對(duì)波長(zhǎng)為1.3μm的InP基光子晶體面發(fā)射激光器（PCSEL）進(jìn)行了研究，將其作為下一代半導(dǎo)體激光器，既能實(shí)現(xiàn)單模激光輸出，又能實(shí)現(xiàn)高輸出功率。我們利用干法刻蝕和再生長(zhǎng)技術(shù)，在室溫下實(shí)現(xiàn)了連續(xù)波條件下超過(guò)200mW的高輸出功率的單模工作。此外，我們還在短脈沖工作下實(shí)現(xiàn)了4.6W的高輸出功率。這些結(jié)果表明，PCSEL不僅可用于通信，還可用于傳感應(yīng)用。

1. 簡(jiǎn)介

由于智能手機(jī)的廣泛使用、社交媒體網(wǎng)絡(luò)和視頻流服務(wù)的日益普及以及遠(yuǎn)程辦公等工作方式的轉(zhuǎn)變，網(wǎng)絡(luò)流量持續(xù)增加。為了支持這些服務(wù)，數(shù)據(jù)中心增加了通道數(shù)量，以處理不斷增長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)流量。然而，這導(dǎo)致成本上升，因?yàn)楣脑黾?，并且由于每個(gè)通道使用一個(gè)半導(dǎo)體激光器，導(dǎo)致組件數(shù)量增加。為了解決這些問(wèn)題，已經(jīng)提出了一種新方法。該方法涉及將來(lái)自具有高輸出功率的單個(gè)激光器的光分支以創(chuàng)建多個(gè)通道。然而，當(dāng)前的電信激光器在使用單模激光實(shí)現(xiàn)高輸出功率方面已經(jīng)達(dá)到極限。因此，有必要開(kāi)發(fā)下一代半導(dǎo)體激光器以克服現(xiàn)有技術(shù)的局限性。

在此背景下，我們正與京都大學(xué)合作研發(fā)光子晶體面發(fā)射激光器 (PCSEL)，作為下一代半導(dǎo)體激光器，以實(shí)現(xiàn)單模和高功率操作。波長(zhǎng)約為 940 nm 的砷化鎵 (GaAs) 基 PCSEL 已經(jīng)被證明可以實(shí)現(xiàn)高輸出功率約為 10 W 的單模激光輸出。(1),(2) 我們已將該技術(shù)擴(kuò)展到波長(zhǎng)范圍為 1.3 μm 至 1.55 μm 的 InP 基 PCSEL，適用于電信和人眼安全應(yīng)用。在本文中，我們首先描述了 PCSEL 的工作原理和特點(diǎn)。然后，解釋了 InP 基 PCSEL 的制造工藝和激光特性。通過(guò)利用優(yōu)化的干法刻蝕和再生長(zhǎng)技術(shù)，我們成功展示了幾項(xiàng)關(guān)鍵成果，例如在室溫下連續(xù)波（CW）條件下的單模激光發(fā)射，（3）通過(guò)引入雙晶格光子晶體實(shí)現(xiàn)超過(guò) 200 mW 的高輸出功率單模激光發(fā)射，（4），（5）以及在短脈沖條件下實(shí)現(xiàn)瓦級(jí)高功率操作。

2. 光子晶體面發(fā)射激光器的激光原理

（6）圖 1 (a) 展示了 InP 基 PCSEL 的器件結(jié)構(gòu)。在 PCSEL 中，在有源層附近引入二維 (2D) 光子晶體 (PC)*1，從而能夠在其奇點(diǎn)（圖 1 (b) 中的 Γ 點(diǎn)）形成穩(wěn)定的二維駐波（或腔模）。如圖 1 (c) 所示，二維腔模通過(guò)直接 180° 光耦合和 90° 間接光耦合構(gòu)建，腔模沿垂直方向耦合輸出。因此，即使在直徑為幾毫米的寬腔腔中，PCSEL 也能表現(xiàn)出穩(wěn)定的單模激光輸出。圖 2 將 PCSEL 與傳統(tǒng)激光器（例如分布反饋 (DFB) 邊發(fā)射激光器和垂直腔面發(fā)射激光器 (VCSEL)）的特性進(jìn)行了比較。為了利用 DFB 激光器獲得高功率，需要延長(zhǎng)諧振腔長(zhǎng)度并加寬條紋寬度。然而這種方法受限于光柵設(shè)計(jì)的光耦合系數(shù)較低，同時(shí)也存在多模激光的問(wèn)題。同樣，VCSEL可以通過(guò)增大孔徑來(lái)提高輸出功率，但是也存在多模激光的問(wèn)題。因此傳統(tǒng)激光器需要在單模激光和高輸出功率之間進(jìn)行權(quán)衡。這種權(quán)衡是由于腔體尺寸的限制，因?yàn)楣鈱W(xué)諧振方向被限制在一個(gè)方向，與光發(fā)射方向一致。在PCSEL中，由于二維光學(xué)諧振，腔體尺寸可以增加，光學(xué)輻射方向垂直；因此，由于光學(xué)諧振方向與光發(fā)射方向不同，設(shè)計(jì)靈活性提高了。通過(guò)利用合理設(shè)計(jì)的PC，可以有效地消除高階模式，從而可以從大面積器件中實(shí)現(xiàn)高輸出功率的單模激光。此外，由于大面積相干諧振，PCSEL能夠發(fā)射高度準(zhǔn)直的光束，其發(fā)散角僅為1°或更小。窄光束有望減少電信系統(tǒng)中透鏡和其他光學(xué)元件的數(shù)量，從而降低成本。

3. 器件制造工藝及氣孔形成

3-1 器件制作工藝

InP 基 PCSEL 器件制作工藝如下：首先，在 n-InP 襯底上通過(guò)金屬有機(jī)氣相外延 (MOVPE) 生長(zhǎng) n-InGaAsP 層。然后，利用電子束光刻和干法刻蝕工藝在 n-InGaAsP PC 層中形成二維雙晶格 PC 結(jié)構(gòu)。為了在 1.3 µm 波長(zhǎng)下工作，每個(gè)晶格的晶格常數(shù) (a) 設(shè)置為 ~400 nm。PC 形成后，通過(guò) MOVPE 再生長(zhǎng)工藝在二維 PC 上生長(zhǎng) InP 過(guò)生長(zhǎng)層（間隔層）、InGaAsP 多量子阱 (MQW) 有源層、p-InP 覆蓋層和 p+-GaInAs 接觸層。決定電流注入面積的 p 電極直徑設(shè)置為 200 µm。為了實(shí)現(xiàn)從襯底側(cè)的光發(fā)射，需要形成一個(gè)帶有圓形窗口的n電極。雙晶格光子晶體結(jié)構(gòu)由每個(gè)晶胞中的橢圓形和圓形空氣孔對(duì)組成（如圖3所示），用于通過(guò)增強(qiáng)光子晶體的非對(duì)稱性來(lái)提高表面發(fā)射效率。在該光子晶體結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)方晶格光子晶體以一定的孔間距（d）錯(cuò)開(kāi)。在GaAs基光子晶體腔面發(fā)射激光器（PCSEL）中，通過(guò)引入雙晶格光子晶體，利用雙晶格光子晶體的非對(duì)稱性增強(qiáng)垂直發(fā)射，實(shí)現(xiàn)了高輸出功率。（2）我們第一次在InP基光子晶體腔面發(fā)射激光器（PCSEL）中采用這種雙晶格光子晶體結(jié)構(gòu)，并優(yōu)化了孔的距離和形狀，從而實(shí)現(xiàn)了單模激光的高輸出功率。

3-2 高深寬比深空氣孔的形成

圖4展示了空氣孔形成的工藝流程。圖4還展示了InP隔離層生長(zhǎng)后的原子力顯微鏡(AFM)圖像和MQW再生長(zhǎng)后的橫截面掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。我們的PCSEL的特點(diǎn)是，高深寬比深空氣孔是通過(guò)薄InP隔離層在有源層下方形成的。這種結(jié)構(gòu)避免了干法刻蝕對(duì)有源層造成的損傷，如圖4所示。通過(guò)優(yōu)化干法刻蝕條件，我們成功形成了深度超過(guò)400納米、直徑僅為100納米的深氣孔，這是形成雙晶格PC所必需的。（7）此外，我們還優(yōu)化了氣孔形成的再生長(zhǎng)條件，通過(guò)增強(qiáng)橫向生長(zhǎng)，即使在InP間隔層厚度低于100納米的PC上也能形成原子級(jí)平坦的表面。（3）通過(guò)采用這些優(yōu)化的干法刻蝕和再生長(zhǎng)條件，形成了深寬比超過(guò)5的深氣孔。橢圓孔的深度為600納米，圓形孔的深度為450納米。通過(guò)這項(xiàng)研究，可以在有源層附近形成足夠厚度的PC層。這使得PC層和有源層都具有較高的光學(xué)限制性，從而可以設(shè)計(jì)具有高光耦合系數(shù)的PCSEL。

4. 激光特性

圖5所示為25°C下，雙晶格InP基PCSEL在脈沖寬度為1 µs、占空比為0.1%的脈沖條件下的光輸出-電流(L-I)特性。圖中還給出了相同器件結(jié)構(gòu)中帶有圓形氣孔的單晶格PCSEL的L-I特性，以供參考。雙晶格PCSEL的光功率遠(yuǎn)高于單晶格PCSEL，其斜率效率是單晶格PCSEL的25倍。這些結(jié)果表明，由于PC結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性，引入雙晶格PCSEL可以有效提高斜率效率。

圖6 (a)所示為25°C至80°C溫度下，雙晶格PCSEL在連續(xù)波(CW)條件下的L-I特性。激光在25°C時(shí)閾值電流（Ith）為230 mA（閾值電流密度（Jth）：730 A/cm2），輸出功率為240 mW。25°C時(shí)最大斜率效率為0.21 W/A，最大功率轉(zhuǎn)換效率為11%。PCSEL的發(fā)射光原理上是上下衍射的。通過(guò)引入反射鏡將光反射至發(fā)射側(cè)，可以提高光功率和斜率效率。

圖6（b）繪制了閾值電流密度隨溫度的變化曲線。特征溫度*2（T0）是根據(jù)閾值電流密度在30°C至80°C溫度范圍內(nèi)的溫度依賴性估算出來(lái)的，其值為53.7K。這個(gè)值與傳統(tǒng)的基于InP的DFB激光器的值幾乎相同，這表明PCSEL的溫度特性與DFB激光器的溫度特性相當(dāng)。

圖7 (a) 顯示了在25°C、50°C 和80°C 連續(xù)波條件下的激光光譜。注入電流設(shè)置為接近最大光功率。即使在高輸出功率下，在所有溫度下都能獲得單模激光。邊模抑制比 (SMSR) 超過(guò) 48 dB。我們還證實(shí)了在閾值電流附近的低電流注入下會(huì)發(fā)生單模激光。這些結(jié)果表明 PCSEL 表現(xiàn)出無(wú)跳模工作特性。

圖7 (b) 繪制了激光波長(zhǎng)漂移的溫度依賴性。波長(zhǎng)漂移到更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，波長(zhǎng)漂移為0.103 nm/K，幾乎與基于InP 的DFB 激光器相當(dāng)。

圖8 顯示了在25°C 和80°C 連續(xù)波條件下，注入電流為1000 mA 時(shí)PCSEL 發(fā)射的遠(yuǎn)場(chǎng)圖樣 (FFP)。在25°C至80°C的溫度范圍內(nèi)，觀察到發(fā)散角小于1.5°的窄圓形光束。該結(jié)果表明，即使在80°C的高溫下，PCSEL的窄圓形光束單模激光仍能保持。

窄圓形光束還有望有助于提高傳感應(yīng)用中的空間分辨率和測(cè)距距離，特別是作為光檢測(cè)和測(cè)距 (LiDAR) 的光源。在飛行時(shí)間 (ToF) 系統(tǒng) LiDAR 應(yīng)用中，激光器在短脈沖條件下工作，脈沖寬度為納秒級(jí)。因此，作為對(duì)基于 InP 的 PCSEL 傳感應(yīng)用的初步評(píng)估，我們測(cè)量了短脈沖條件下的 L-I 特性。圖 9 顯示了雙晶格 InP 基 PCSEL 在短脈沖條件下室溫下的 L-I 特性，脈沖寬度為 2 µs 和 20 ns，脈沖周期為 1 ms。對(duì)于 2 µs 的脈沖寬度，光功率在 5 A 的注入電流下飽和，光功率為 700 mW。另一方面，當(dāng)脈沖寬度為20 ns時(shí)，在35 A的注入電流上限下，峰值功率高達(dá)4.6 W。這一峰值功率是迄今為止InP基PCSEL所能達(dá)到的最高功率。值得一提的是，通過(guò)使用更短的脈沖條件、增加器件尺寸或優(yōu)化PC設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)脈沖工作，可以實(shí)現(xiàn)更高的峰值功率。

10顯示在室溫（RT）下，脈沖寬度為1 µs，占空比為0.1%的脈沖條件下，注入電流低于閾值時(shí)，InP基雙晶格PCSEL在Γ點(diǎn)附近的測(cè)量光子能帶結(jié)構(gòu)。能帶結(jié)構(gòu)由每個(gè)角點(diǎn)的自發(fā)光譜獲得，這些角點(diǎn)對(duì)應(yīng)于面內(nèi)波數(shù)。（8）可以清晰地觀察到反映方晶格PC的四個(gè)帶邊模式（按頻率遞增的順序依次為A、B、C和D）。通過(guò)比較閾值以下和閾值以上的光譜，可以識(shí)別出帶邊模式B處的激光模式。為了評(píng)估PC結(jié)構(gòu)內(nèi)的光耦合強(qiáng)度，我們估算了每個(gè)帶邊頻率180°（K_1D）和90°（K_2D+和K_2D–）衍射的面內(nèi)光耦合系數(shù)。（2）估算的K_1D、K_2D+和K_2D–分別為522 cm^-1、193 cm^-1和131 cm^-1。我們使用嚴(yán)格耦合波分析（RCWA）驗(yàn)證了這些值，（9）得出的耦合系數(shù)（K_1D、K_2D+、K_2D–）分別為490 cm^-1、175 cm^-1和141 cm^-1。模擬值與測(cè)量值一致，表明PC已按設(shè)計(jì)形成。我們認(rèn)為，由于高縱橫比的深氣孔實(shí)現(xiàn)了 100 cm^-1 的相對(duì)較高的 K_2D，從而可以在較寬的工作溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生具有高 SMSR 的單模激光。

5.結(jié)論

我們演示了波長(zhǎng)為1.3 µm 的InP基雙晶格PCSEL的高功率單模激光輸出。在室溫下，連續(xù)波條件下，單模窄圓光束的光功率達(dá)到了240 mW。在短脈沖工作條件下，峰值功率高達(dá)4.6 W。這些結(jié)果證明了InP基PCSEL作為光通信和傳感應(yīng)用的光源具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)術(shù)語(yǔ)

*1 光子晶體：一種用于控制光傳播狀態(tài)的周期性結(jié)構(gòu)；通過(guò)在材料內(nèi)部制造與光波長(zhǎng)相似的周期，可以限制或引導(dǎo)特定波長(zhǎng)的光。

*2 特性溫度：激光基本特性的指標(biāo)；特性溫度越高，表示在較高溫度下可以產(chǎn)生激光。

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