宗 磊，王 英

1.3μm波段單橫模大功率輸出量子點(diǎn)激光器

宗 磊，王 英

（上饒師范學(xué)院小教分院，上饒334000）

為了制備大功率、單橫模輸出的量子點(diǎn)激光器，對有源多模干涉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用1×1型有源多模干涉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，以均勻多層InAs／InGaAs／GaAs量子點(diǎn)材料作為有源區(qū)，制備了1.3μm波段的有源多模干涉結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)激光器。連續(xù)電流注入條件下的測試結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的均勻波導(dǎo)結(jié)構(gòu)器件相比，有源多模干涉結(jié)構(gòu)器件具有更低的串聯(lián)電阻和更好的散熱性能；在連續(xù)電流為0.5A的小注入情況下，器件的輸出功率可達(dá)114mW、中心波長為1332nm。結(jié)果表明，有源多模干涉結(jié)構(gòu)器件是制備大功率、單橫模輸出光發(fā)射器件的一種有效的器件結(jié)構(gòu)。

激光器；量子點(diǎn)；單橫模；有源多模干涉

引 言

1.3 μm波段是國際電信聯(lián)盟規(guī)定的光纖通信領(lǐng)域最主要的波段之一，被用于城際網(wǎng)和接入網(wǎng)的信息傳輸。砷化鎵基量子點(diǎn)材料在制備1.3μm波段的高穩(wěn)定性、非制冷、低成本光發(fā)射器件，尤其是量子點(diǎn)激光器方面具有巨大潛力，是目前國際上公認(rèn)的光纖通信領(lǐng)域最有發(fā)展前途的光電材料之一［1-2］。實(shí)際應(yīng)用中，為了使光源與單模光纖（纖芯直徑為微米量級）有高的耦合效率，器件必須為單橫模輸出，所以需要對器件的波導(dǎo)寬度進(jìn)行嚴(yán)格的控制［3］。例如對于砷化鎵體系量子點(diǎn)材料外延結(jié)構(gòu)，器件實(shí)現(xiàn)單橫模輸出須保證波導(dǎo)寬度小于5μm。但是對于常見的均勻波導(dǎo)結(jié)構(gòu)器件，較窄的波導(dǎo)寬度也就表示減小了器件的增益面積，所以器件很難實(shí)現(xiàn)大的輸出功率。加寬波導(dǎo)寬度、增大器件的增益面積，可以有效提高器件的輸出功率，但是器件將無法實(shí)現(xiàn)單橫模輸出，直接導(dǎo)致與單模光纖的耦合效率降低。為克服這一限制，有研究證實(shí)采用有源多模干涉（multimode interferometer，MMI）波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)大功率的單橫模輸出器件［4-5］。

MMI波導(dǎo)結(jié)構(gòu)器件由1個(gè)多模波導(dǎo)和若干個(gè)分別用于輸入、輸出的單模波導(dǎo)構(gòu)成。根據(jù)輸入、輸出波導(dǎo)的數(shù)量（分別用M，N表示）不同，可將MMI器件表示成M×N型。其中1×1型有源MMI結(jié)構(gòu)在制備大功率、單橫模輸出的光發(fā)射器件時(shí)經(jīng)常使用。1998年，HAMAMOTO等人［4］采用1×1型有源MMI結(jié)構(gòu)制備了單橫模輸出的InGaAs／InP激光器，其最大輸出功率比傳統(tǒng)的單橫模器件提高了40%。此后有關(guān)有源MMI結(jié)構(gòu)光發(fā)射器件的進(jìn)一步研究相繼開展。2000年，HAMAMOTO等人［6］制備出了首個(gè)MMI結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體光放大器件，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)器件相比，該器件的最大增益提高了2dB，飽和輸出功率提高了5dB。2004年，OHYA等人［5］制備的單橫模輸出的MMI結(jié)構(gòu)激光器在小于2V的驅(qū)動(dòng)電壓下，輸出功率大于1W。以上研究結(jié)果證實(shí)1×1型有源MMI結(jié)構(gòu)是制備大功率、單橫模輸出的光發(fā)射器件的一種有效的器件結(jié)構(gòu)。

Fig.1 Schematics of multi mode waveguide configuration

本文中對有源MMI波導(dǎo)結(jié)構(gòu)器件進(jìn)行了研究，以制備大功率、單橫模輸出的量子點(diǎn)激光器。通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和制備工藝，采用均勻多層InAs／InGaAs／GaAs量子點(diǎn)材料作為有源區(qū)，成功制備了1.3μm波段的有源MMI結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)激光器。連續(xù)電流注入條件下的測試結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的均勻波導(dǎo)結(jié)構(gòu)器件相比，MMI結(jié)構(gòu)器件具有更低的串聯(lián)電阻和更好的散熱性能，有利于緩解器件在連續(xù)電流注入下的輸出功率飽和。在連續(xù)電流為0.5A的小注入情況下，器件的輸出功率可達(dá)0.75W、中心波長為1332nm。本文中對MMI結(jié)構(gòu)器件的系統(tǒng)研究可以為制備大功率、單橫模輸出的光發(fā)射器件提供參考。

1 多模干涉波導(dǎo)的自鏡像原理

MMI器件的基本工作原理是基于自鏡像效應(yīng)，可以簡單地描述為：輸入光場在多模波導(dǎo)中激勵(lì)起多個(gè)模式，在各模式之間發(fā)生互相干涉，由此沿光波的傳播方向周期性地產(chǎn)生輸入光場的一個(gè)或多個(gè)像［7-8］。早在1972年，MARCUSE［9］就發(fā)現(xiàn)漸變折射率波導(dǎo)可以周期性地產(chǎn)生物體的實(shí)像。1973年，BRYNGDAHL［10］提出均勻折射率平板波導(dǎo)中也存在自鏡像效應(yīng)，隨后ULRICH等人［11-12］對這一原理作了進(jìn)一步闡述。

MMI結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分是一段能夠傳輸多個(gè)模式（一般大于3個(gè)）的多模波導(dǎo)。分析光在多模波導(dǎo)中傳播時(shí)，利用有效折射率法可以將3維波導(dǎo)簡化為2維波導(dǎo)［13-15］。在圖1所示的多模波導(dǎo)中，波導(dǎo)的寬度為W，波導(dǎo)區(qū)的有效折射率為nr，兩側(cè)限制層的有效折射率為nc，波導(dǎo)區(qū)的光場分布E（x，z）可以通過本征模的線性疊加表示為：

式中，x表示橫向；z表示傳播方向；βi分別表示第i階本征模的傳播常數(shù)，i取0到m－1之間的整數(shù)，m是多模波導(dǎo)支持的模數(shù)；ψi為第i階本征模的光場分布；Ci是場的激勵(lì)系數(shù)。

橫向波數(shù)kxi、傳播常數(shù)βi和波導(dǎo)的有效折射率nr滿足下面的色散關(guān)系：式中，λ0為真空中的光波長，k0為λ0對應(yīng)的波數(shù)。

根據(jù)本征模的形成條件，光模場的分量在波導(dǎo)內(nèi)須形成駐波，其來回傳播1周的相位差應(yīng)為2π的整數(shù)倍?？紤]在波導(dǎo)邊界處由于全反射造成的相位差π，得到：

式中，We，i為考慮了波導(dǎo)邊界處Goos-Hahnchen位移后的等效波導(dǎo)寬度。不同導(dǎo)模由Goos-Hahnchen位移引起的橫向穿透深度展寬不同，因此We，i不同。一般可以用基模的等效寬度近似各導(dǎo)模的等效寬度。多模波導(dǎo)的等效寬度We，i可以表示為：

對于TE和TM偏振，σ分別取0和1。由此，

由上式可以看出，傳播常數(shù)βi與各階導(dǎo)模的階數(shù)i的2次方成正比，與波導(dǎo)的等效寬度We的2次方成反比。

定義Lπ為兩個(gè)最低階模i＝0，1的拍長，則：

略去光場分布E（x，z）式中的時(shí)間因子exp（jωt），不會對多模波導(dǎo)的成像規(guī)律產(chǎn)生影響。以基模的相作為求和的共同因子，則光場分布可以表示為：

由此傳播常數(shù)差便可以表示成：

由上式可以看出，光在多模波導(dǎo)內(nèi)傳播時(shí)，沿傳播方向z會以3Lπ為周期循環(huán)產(chǎn)生輸入場的像，此即多模干涉波導(dǎo)的自鏡像原理。

也就是說，若L＝p（3Lπ），p＝0，1，2，…，則在z+L處會形成z處的像。當(dāng)p為偶數(shù)時(shí)，光場為輸入光場的正像；當(dāng)p為奇數(shù)時(shí)，光場為輸入場的反演像。除了在L等于3Lπ的整數(shù)倍處可以得到輸入場的單個(gè)像外，在L＝（3L），p≥0，N≥1，兩者互π質(zhì)，還可以得到輸入場的N重像。

由此多模波導(dǎo)中傳播的光場，成像數(shù)目由N決定，p則表示成像位置沿傳播方向z可能的周期分布，為了使設(shè)計(jì)的器件盡量短，通常取p＝1。另外，實(shí)際設(shè)計(jì)MMI器件時(shí)，通過限定輸入光場的位置及分布，可以使輸入光場在多模波導(dǎo)內(nèi)發(fā)生限制性干涉而只激勵(lì)起一部分導(dǎo)模，進(jìn)而模相位因子長度周期減少，由此可以減小器件的設(shè)計(jì)尺寸，更有利于滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。例如輸出場的位置限定在x＝0即多模波導(dǎo)的橫向中心時(shí)，輸入的偶對稱光場在多模波導(dǎo)內(nèi)發(fā)生對稱干涉，激發(fā)的模式滿足［i（i+ 2）］始終能被4整除，即只激發(fā)i為偶數(shù)的模式，而對于i為奇數(shù)的模式，激勵(lì)系數(shù)Ci＝0。此時(shí)，光場分布函數(shù)E（x，z）中模相位因子長度周期減小為一般干涉的1／4。由此輸入光場的單像和多像的位置分別為：

2 1×1型多模干涉器件設(shè)計(jì)

1×1型MMI波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是制備大功率、單橫模有源器件常用的結(jié)構(gòu)［7-10］，本文中該結(jié)構(gòu)被用來制備大功率、單橫模輸出的量子點(diǎn)激光器。

根據(jù)多模波導(dǎo)的自鏡像原理，設(shè)計(jì)1×1型MMI

在設(shè)計(jì)和制備MMI波導(dǎo)結(jié)構(gòu)器件時(shí)，幾何尺寸保留一個(gè)較為寬松的設(shè)計(jì)容差是非常重要的，這不僅影響器件制備時(shí)對器件結(jié)構(gòu)參量的控制，而且直接影響到器件的性能。參考文獻(xiàn)［13］中對多模干涉器件的設(shè)計(jì)容差進(jìn)行了研究，將輸入場的像看作是高斯光束在成像位置L處聚焦，由于位置L的變化ΔL而產(chǎn)生的光損耗可以通過評估光束與輸出波導(dǎo)模場的交疊程度進(jìn)行評估。分析發(fā)現(xiàn)，光損耗為0.5dB時(shí)，ΔL近似等于所謂瑞利長度范圍，即：波導(dǎo)結(jié)構(gòu)器件時(shí)，p和N均取為1，多模波導(dǎo)的最小長度為：

式中，w0為高斯光束的束腰，等于輸入光場振幅的處全寬。設(shè)輸入光場波長為λ，Δλ表示光波長的變化范圍，將光損耗為0.5dB時(shí)ΔL，ΔWe，Δnr分別定義為MMI波導(dǎo)的長度容差、寬度容差、折射率容差，則有以下關(guān)系：

由上式可以看出，盡量減小多模波導(dǎo)的長度可以為MMI波導(dǎo)的其它參量提供更大的設(shè)計(jì)容差。另外，對于給定的多模波導(dǎo)設(shè)計(jì)和固定輸入光波長，增加輸入波導(dǎo)的寬度可以增大多模波導(dǎo)的設(shè)計(jì)容差。設(shè)計(jì)錐形結(jié)構(gòu)的輸入波導(dǎo)也是一種增大MMI器件的設(shè)計(jì)容差的有效方法［16］。

3 器件制備與性能測試

采用分子束外延技術(shù)（molecular beam epitaxy，MBE）生長的均勻多層InAs／InGaAs／GaAs量子點(diǎn)外延結(jié)構(gòu)作為器件有源區(qū)，制備1.3μm波段的量子點(diǎn)激光器。器件采用1×1型MMI波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中多模波導(dǎo)的寬度為10μm，輸入、輸出端為5μm寬的窄波導(dǎo)，器件總腔長為2mm。為進(jìn)行對比分析，采用相同的材料結(jié)構(gòu)同時(shí)制備了波導(dǎo)寬度為5μm的均勻波導(dǎo)結(jié)構(gòu)激光器，器件腔長同樣選取為2mm。器件制備完成后，為了有利于散熱，倒裝焊在無氧銅熱沉上，然后在室溫下對器件進(jìn)行功率-電流（P-I）特性、電致發(fā)光（electroluminescence，EL）光譜等性能測試。

圖2為兩種不同波導(dǎo)結(jié)構(gòu)激光器在連續(xù)電流注入下的P-I特性曲線對比。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，注入電流在0mA～200mA時(shí)，有源MMI波導(dǎo)結(jié)構(gòu)器件LD2的輸出功率要小于均勻波導(dǎo)結(jié)構(gòu)器件LD1，這是因?yàn)橄嗤淖⑷腚娏飨?，均勻波?dǎo)結(jié)構(gòu)器件LD1的注入電流密度要高于MMI結(jié)構(gòu)器件LD2；而注入電流繼續(xù)增大（200mA～500mA）時(shí)，器件LD1的輸出功率開始出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，器件LD2的輸出功率逐漸超過器件LD1。這是由于大的連續(xù)注入電流密度下器件LD1的有源區(qū)出現(xiàn)明顯的自熱效應(yīng)引起的。而從器件LD2的P-I曲線并沒有觀察到輸出功率的飽和現(xiàn)象，0.5A連續(xù)電流注入下，器件的輸出功率為114mW。由此可以看出，有源MMI結(jié)構(gòu)器件LD2與均勻波導(dǎo)結(jié)構(gòu)器件LD1相比具有更好的散熱性能。這應(yīng)該歸功于以下兩個(gè)方面的原因：首先，MMI結(jié)構(gòu)器件增大了器件有源區(qū)的面積，同時(shí)增大了器件有源區(qū)到熱沉的熱流通道，減小了器件的熱阻；另外，MMI結(jié)構(gòu)器件具有更低的器件串聯(lián)電阻，降低了器件的產(chǎn)熱。

Fig.2 P-I characteristics of the devices LD1and LD2under continuous wave operation

圖3 為有源MMI波導(dǎo)結(jié)構(gòu)器件LD2在不同連續(xù)電流注入下的EL光譜。從圖中可以看出，在10mA～500mA的測試電流下，器件發(fā)光的中心波長始終位于1.33μm附近。注入電流為10mA時(shí)，激光器工作在閾值電流以下，發(fā)光的中心波長位于1330nm，光譜寬度69nm，對應(yīng)InAs／InGaAs／GaAs量子點(diǎn)的基態(tài)發(fā)光。隨著注入電流增大到75mA，激光器發(fā)生激射，激射波長位于1332nm。繼續(xù)增大電流至0.5A，激光器的激射波長依然位于1332nm，此時(shí)器件的輸出功率為114mW。

Fig.3 EL spectra of the active MMI device LD2at different injection currents under continuous wave operation

4 結(jié) 論

為制備大功率、單橫模輸出的量子點(diǎn)激光器，對有源MMI波導(dǎo)結(jié)構(gòu)器件進(jìn)行了研究，詳細(xì)分析了MMI波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝容差。通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)參量，采用1×1型有源MMI波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，成功制備了1.3μm波段的InAs／GaAs量子點(diǎn)激光器。在連續(xù)電流為0.5A的小注入情況下，器件的輸出功率可達(dá)114mW、中心波長為1332nm。測試結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的均勻波導(dǎo)結(jié)構(gòu)器件相比，MMI結(jié)構(gòu)器件具有更低的串聯(lián)電阻和更好的散熱性能，是制備大功率、單橫模輸出的光發(fā)射器件的一種有效的器件結(jié)構(gòu)。

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High output power single transverse mode quantum dot lasers at 1.3μm

ZONG Lei，WANG Ying
（Primary Education College Affiliated，Shangrao Normal University，Shangrao 334000，China）

An active multi-mode-interferometer（MMI）waveguide configuration was introduced and designed for single transverse mode laser diode with high output power.By using InAs／InGaAs／GaAs quantum dots（QD）as the active region，1.3μm QD laser diode with the1×1 MMI waveguide configuration was fabricated.It was demonstrated that the QD laser diode with the active MMI configuration exhibited improved heat dissipation and optical performance compared to the device with regular uniform waveguide structure.At a continuous wave injection current of 0.5A，a high output power of 114mW was obtained from the narrow waveguide while the laser diode emitting at1332nm.The systematic study shows that the device with MMI waveguide configuration is instructive device for the fabrication of single transverse mode light emitting devices with high output power.

lasers；quantum dot；single transverse mode；active multimode interferometer

TN248；O472+.3

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.01.002

1001-3806（2014）01-0006-05

宗 磊（1979-），男，碩士，講師，主要研究方向?yàn)榧{米功能材料與器件。

E-mail：phylxk＠163.com

2013-03-25；

2013-04-07