一种新型电吸收调制激光器的优化设计_孙元新.pdf

：光电器件研究与应用孙元新，杨振强，贾华宇，等 一种新型电吸收调制激光器的优化设计 光通信研究，（）：，（）：一种新型电吸收调制激光器的优化设计孙元新，杨振强，贾华宇，余洁，李灯熬（太原理工大学 电气与动力工程学院；信息与计算机学院，太原 ；武汉光迅科技股份有限公司，武汉 ）摘要：针对传统选择性区域生长叠层双有源区电吸收调制激光器（）在高频调制环境下的响应速度问题以及改善其远场发散角特性，文章提出利用掺铁掩埋技术对电吸收调制激光器（）结构进行优化，设计了 材料 掺铁掩埋结构的 并制作样本芯片，新型 有源区变为台面结构，并在其两层外延生长掺铁 层。同时，利用先进激光二极管模拟器（）软件和高频结构仿真（）软件对所设计掺铁掩埋结构的和调制器进行数值及仿真分析，结果表明，与传统多量子阱结构相比，阈值电流减少了；与传统脊波导结构相比，掺铁掩埋结构的侧向限制能力提高，激光远场横纵角度之差降低了，具有更小的远场发散角；与传统 掩埋结构相比，掺铁掩埋结构的调制器在 的响应带宽提高了约。对样本芯片进行测试，试验表明，的阈值电流为，边模抑制比（）为 ，注入电流下，电吸收调制器 的响应带宽为 ，满足高速激光通信的基本要求。关键词：电吸收调制激光器；台面结构；掺铁掩埋技术；调制带宽；远场发散角中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（；，；，）：（），（），（），（），（），：；引言由于互联网和相关数据驱动应用的爆炸性增长，使低成本、高速率光纤通信系统需求大幅提升，集成电吸收调制激光器（，）作为光纤通信的首选光源也成为当前研究热点。在制造技术中，选择性区域外 延 生 长 叠 层 双 有 源 区（，）技术集成了对接生长技术、选择性区域外延技术和收稿日期：；修回日期：；纸质出版日期：基金项目：国家重点研发计划资助项目（）作者简介：孙元新（），男，山东德州人。硕士，主要研究方向为半导体激光器。通信作者：贾华宇，副教授。：.年第期总第 期光 通 信 研 究 （）双有源区叠层技术的优点，具有非常好的发展前景。然而随着 和 光网络的使用，在高频调制环境下，该类型激光器的响应速度仍有待提升，并且该类型激光器多采用脊波导结构，该结构是弱折射率波导，其侧向波导限制较弱，导致激光器的远场发散角较大，光场耦合效率较低。为了解决上述问题，本文设计了铁掩埋波导结构的新型选择性区域生长叠层双有源区电吸收调制激光 器（，），将传统 掩埋中的 层替换为半绝缘掺铁 层，形成掺铁掩埋，可以减小激光器的远场发散角，同时掺铁 层降低了调制器的结电容，使具有更高的调制带宽。基于以上思路，本文通过先进激光二极 管 模 拟 器（，）软件设计了 材料掺铁掩埋结构的新型 ，包括 有源区结构设计和掺铁掩埋波导结构设计。同时利用 软件和高频结构仿真（，）软件分别对所设计的 中的激光器和调制器进行建模仿真，得出所设计的阈值特性、光场特性和高频响应特性等数据，并与传统脊波导结构 进行对比分析，验证所设计结构的优越性。同时制作样本芯片并进行特性测试。掺铁掩埋结构 的设计与制备新型掺铁掩埋 结构如图所示，中的有源区呈台面结构，并在两侧生长掺铁 层，形成掺铁掩埋异质结波导结构。新 型 掺 铁 掩 埋 设 计 包 括图新型掺铁掩埋 结构示意图 有源区和波导结构设计两部分，通过 软件的结构材料求解器和激光器性能仿真模块进行仿真计算，获得最优的有源区结构参数并对所设计的波导结构进行光场分布仿真，验证合理性。结构设计 结构如图所示，包括上层有源区和下层有源区，上层有源区位于激光器部分，其设计按照 激光器的要求进行，而下层有源区则按照 调制器的要求进行设计。图 结构示意图 通过 软件对 进行建模，参照 对有源区波长的要求，以及阈值特性、边模抑制比（，）和 平 均 光 增 益 等 参 数 确 定 最 优 的 结构参数，包括量子阱个数、量子阱势垒层、势阱层厚度和有源区材料组分。（）量子阱个数的选择激光器部分腔长为 ，根据量子阱倍增规则，腔长与量子阱个数存在一个最优的关系，当腔长固定时，必存在一个最优的量子阱个数 。不同量子阱个数下所设计 部分的平均发送光功率与注入电流（，）特性、有源区光增益和 特性分别如图和所示。图不同阱数下的 特性 由图可知，随着量子阱个数的增加，激光器的阈值电流先减小后增加；输出光功率、和有源区平均增益先增大后减小。当量子阱个数为时，激光器阈值电流最小且输出光功率最大，最高、光通信研究 年第期总第 期图不同阱数下的 和平均增益 平均增益最大，因此，为最优的量子阱个数。（）量子阱厚度设计 量子阱有源区是由多个势阱层和势垒层交替构成的。当势阱层和势垒层很薄时，容易造成载流子的泄漏，使量子阱的增益系数降低，阈值电流增大，发光效率也随之降低，而随着势阱层和势垒层厚度逐渐增加，会产生应力积累，阻碍载流子的运输，也会降低激光器的发光效率 。在选取有源区的量子阱个数为不变的情况下，不同势阱层和势垒层厚度下 部分的 特性和 特性如图所示。图不同量子阱厚度下的激光器特性 由图可知，随着势阱层和势垒层厚度的增加，激光器 的 阈 值 电 流 先 减 小 后 增 加，输 出 光 功 率 和 先增大后减小。当势阱层厚度为，势垒层厚度为 时，阈值电流最小、单纵模特性最好、输出功率最大，为最优的量子阱厚度。（）有源区材料组分的确定为了满足所设计 的波长匹配以及达到 能带结构透明设计的要求，保证有源区量子阱个数为，量子阱势阱层和势垒层厚度分别为和 不变的情况下，通过 软件对不同材料组分的有源区进行光谱分析可知，当上 层 多 量 子 阱 有 源 区 的 势 阱 材 料 为 ，应变为压应变，势垒层材料为 ；下层多量子阱有源区的势阱材料为 ，应变为压应变 ，势垒层材料为 时，激光器有源区的激射波长和 部分有源区的激射波长如图所示。图激射波长 由 图 可 知，激 光 器 有 源 区 的 激 射 波 长 为 ，调制器有源区的激射波长为 ，孙元新 等：一种新型电吸收调制激光器的优化设计激光器激射波长比调制器有源区的波长长 ，达到了波长匹配的要求。同时，对激光器部分 结构中的上层和下层有源区进行光谱分析，结果如图所示。由图可知，上层有源区激射波 长 为 ，下 层 有 源 区 激 射 波 长 为 ，上下有源区之间波长差为 ，也达到了上下有源区能带透明设计的要求。图激射波长 综上所述，所设计 的 结构参数如表所示。表 掺铁掩埋结构 结构参数 有源区量子阱个数 厚度 掺杂浓度 上层有源区 （势垒层）（势阱层）（，）（，）不掺杂不掺杂下层有源区 （势垒层）（势阱层）（，）（，）不掺杂不掺杂注：和为之间的数，代表厚度，单位为。掺铁掩埋波导结构设计所设计掺铁掩埋 波导结构如图所示，掺铁掩埋波导结构包括分别限制异质层（）、间隔层、包层、阻断层、掺铁 层以及盖帽层。其中 层为渐变折射率层，夹在有源区上下两侧，可以避免有源区内的光子发生光波倏逝波尾效应而穿透到重掺杂的包层，导致在包层产生强的自由载流子吸收，降低发光效率。而间隔层和包层可以阻挡纵向上的载流子泄漏，加强对光场的限制。所引入的掺铁 层不仅可以加强光场的侧向限制，还可以消除集成器件中各部分之间的电学干扰，在实现电学隔离的同时也能保持光波导结构的完整性。阻断层的作用是避免 包层与掺铁 层之间 和 的相互扩散。所设计掺铁掩埋结 构 的波导结构横截面结构参数如表所示。图掺铁掩埋 波导结构 光通信研究 年第期总第 期表掺铁掩埋结构 横截面结构参数 层结构材料 厚度 掺杂浓度 欧姆接触层 （，）包层 （，）阻挡层 （，）间隔层 （，）上限制层 （，）有源区 （势垒层）（势阱层）（，）（，）不掺杂不掺杂下限制层 （，）缓冲层 （，）掺铁 层 （，）衬底 （，）为 了 验 证 所 设 计 波 导 结 构 的 合 理 性，通 过 软件对激光器和调制器进行光场分析，如图所示，其光场都被限制在有源区附近，表明所设计波导结构对光场起到了较好的横向限制。图横向光场分布 芯片制备本文 所 设 计 的 基 于 材 料 的 掺铁掩埋结构 的制作工艺流程如图 所示。本文所设计 衬底晶向为 的 型 衬底，对于 来说，掩膜图 制作工艺流程图 图形位于调制器区域，因此需要在衬底的调制器部分制作掩膜图形，具体做法是在 衬底上涂敷光刻胶，利用等离子体增强化学的气相沉积（，）法工艺沉积约厚度的，然后沿着晶向为 的方向光刻出相应 掩膜图形，如图 所示。图 掩膜生长图形 芯片多层结构外延生长所采用的工艺为金属有机化学气相外延（，）工艺，生长时 材料的源为 、和，型掺杂剂为 ，型掺杂剂为 。在 衬底上通过 工艺依次外延生长缓冲层、限制层、调制器有源区、激光器有源区、上限制层和光栅层，各层参数如表所示。在光栅的制作阶段，采用反应离子刻蚀技术和选择性湿法相结合的工艺，仅在激光 器 部 分 刻 蚀 光 栅。根 据 选 择 生 长 图 形，将孙元新 等：一种新型电吸收调制激光器的优化设计 有源区腐蚀为台面结构，宽度为，腐 蚀 深 度 一 直 到 衬 底 层。接 下 来 通 过 工艺进行二次外延，外延生长包括半绝缘掺铁 层、浓度为 的 阻挡层、浓度为 的 包层以及掺杂浓度为 的 欧姆接触层，各层的厚度如表所述。所设计 的掺铁掩埋结构显微镜图如图 所示。图 掺铁掩埋结构显微镜图 电极的面材料为 ，面材料为 ，利用这些材料使器件表面金属化，完成电极的金属化制备。通 过 解 理 将 芯 片 分 解 为 单 个 管 芯（条），再经过镀膜、耦合和封装，完成样本芯片的制作。样本芯片如图 所示，芯片的电极结构为共面波导电极。图 样本芯片 仿真分析与讨论 特性仿真与分析利用 软件对所搭建的 模型进行阈值和稳态分析，并与波导结构相同的传统多量子阱 激光器进行对比，结果如图 所示。由图可知，在相同的波导结构下，结构的激光器阈值电流为，传统多量子阱结构的激光器阈值电流为，阈值电流降低了。这是因为 的上下有源层能带结构透明设计，使得有源区产生的光子被下层有源区吸收的概率大大减少，减少了内部损耗，另外能带结构透明设计使得注入电流能快速集中到上层有源区内，提高了有源区的微分增益系数，激光器阈值电流 的表达式为（）（）（）（），（）式中：为注入电流密度；为量子效率；为腔内损耗，来源于增益介质对光子的吸收；为光场限制因子；为辐射渗入包层的损耗系数；为微分增益系数，该值反映了能带边载流子浓度增加的速率；为腔长；为腔面反射率。由式（）可知，减小和增大都使得激光器的阈值电流减小。图 结构与传统多量子阱结构 特性对比 光场特性分析图 所示为在有源区同一位置，掺铁掩埋结构与传统脊波导结构的横向光场模式分布情况，其中红色线为掺铁掩埋结构，绿色线为脊波导结构。由图可知，在有源区的同一位置，掺铁掩埋结构比脊波导结构的光模分布更为集中，以线段的近似斜率来表示波导结构对光场的限制能力，掺铁掩埋结构的斜率近似为，脊波导结构的斜率近似为，提高了，表明掺铁掩埋结构对光场的限制能力更强。图 所示为 的掺铁掩埋结构激光器和脊波导结构激光器的远场分布情况。由图可光通信研究 年第期总第 期图 横向光场模式对比图 知，掺铁掩埋结构激光远场的横向和纵向角度差，而脊波导结构激光远场的横向和纵向角度差，与脊波导结构相比，掺铁掩埋结构激光远场的横向和纵向角度之间的差值减少了 ，降低了，光斑更接近一个圆，表明掺铁掩埋结构可以减少激光器的远场发散角。根据狭缝衍射原理，激光器的垂直发散角的表达式为.（?），（）式中：?和?分别为有源层和限制层的折射率；为有源区的厚度；为激射波长 。掺铁掩埋技术通过在有源区两侧生长掺铁的 层，提高了侧向限制层的折射率?，由式（）可知，可使得发散角变小。图 激光远场分布 高频特性仿真分析在 软件中，对所搭建 集总电极的 模型进行高频分析，结果如图 所示。由图（）可知，集总电极的掺铁掩埋结构 在 的调制带宽为 。将参数代入到 的等效电路中进行参数拟合，等效电路如图 所示。和 的拟合曲线如图 所示，其中红色线（，）和（，）为拟合的参数，蓝色线（，）和（，）为 软件提供的参数，两者之间拟合误差为。通过拟合