增益钳制式850 nm波长超辐射发光二极管设计研究

祝子翔， 张晶， 孙春明， 乔忠良， 高欣， 薄报学， 李辉， 王宪涛， 魏志鹏， 马晓辉

(长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室， 吉林 长春 130022)

0 引言

超辐射发光二极管(SLD)是一种发光特性介于半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)之间的半导体光源，它的出现和发展完全受到光纤陀螺(IFOG)的驱动，并成为一种重要的光源。SLD的结构是在激光器的基础上用各种方法来抑制法布里- 珀罗(F-P)光振荡[1-2]。SLD发光光谱宽度比LD更宽、输出功率比LED高，是一种常用的宽光谱光源，广泛应用于IFOG、光学相干断层扫描(OCT)、光时域反射仪(OTDR)、局域网(LAN)、光波复用(WDM)系统、光处理技术等领域。

随着SLD的发展，对宽光谱光源性能的要求不断提高。在光谱宽度方面，Kondo等[3]采用多量子阱结构的有源区，光谱宽度最大可达170 nm；在波长方面，短波长有蓝紫色的SLD[4]，长波长有近红外的SLD[5]；在工艺方面，红外激光高温退火方法使器件的半峰宽(FWHM)增加33%[6]；在光斑质量方面，韩国Su等[7]采用深掩埋波导配合模式转换器结构得到近圆形光斑输出；在寿命方面，俄罗斯的SLD最大工作寿命超过30 000 h[8]；在应用方面，美国的SLD应用于光局域网的集成模块[9]；在国内，2006年李辉等[10]采用非均匀阱宽多量子阱材料制作出高功率、宽光谱、低发散角850 nm短波长的SLD，在120 mA时器件FWHM可达到26 nm，室温下连续输出功率达到6 mW；2016年王飞飞等[11]制作出大功率短波长InAlGaAs/AlGaAs量子点的SLD，器件峰值为29 mW. 为了满足各领域需求，不断提升大功率、宽光谱、抗辐射已成为SLD发展的主流趋势[12]。

本文在高功率850 nm SLD研究[13]的基础上，提出了采用纳米压印技术在器件脊形台面上制作了多波长表面分布式反馈(DFB)钳制系统纳米柱，实现了器件中心波长F-P增益钳制。与激光器[14]不同的是，超辐射器件脊形台面上制作的多波长DFB系统可以用来抑制850 nm的F-P受激发射，达到拓展光谱宽度和抑制激射作用。

1 材料结构及外延材料的生长

本文把放大了的自发发射称为超辐射，超辐射是一种强激发状态下定向的辐射现象。当激发密度足够高时，自发发射的光子受激放大而产生雪崩式倍增，发光强度迅速增加，伴随谱线变窄，其主要特点是由初始的自发发射占主导，很快演变成受激发射占主导，理想的超辐射器件是一种相位不一致的非相干光源或称短相干光源[15]。

SLD的光谱特性主要由该器件的单程光放大特性决定。它不像激光器具有选模作用使光场的腔体内形成驻波，使非振荡的光波受到抑制，产生宽光谱特征。SLD在较高电流下工作，光在腔体内传播经历了较大的光增益过程，这种增益过程对不同波长的光子是不同的，发射光谱中心波长经历的增益最大，远离中心波长的光子呈现抛物线型递减。因此，为了实现高功率下的发光，有效地抑制F-P振荡是关键的问题。

根据有限深势阱理论[16]，量子阱的导带与价带子能级之间的跃迁能量随阱宽度变窄而增加。

采用单量子阱时，容易得到低的阈值电流，但高温特性较差。单量子阱材料提供了较大的增益，但在增加谱宽方面是不利的，即利用单量子阱材料高增益特性而得到高功率输出，但也使谱宽特性变差。有源层采用GaAs/Al(0.2)GaAs，同时为了拓展光谱宽度，采用3种不同宽度的量子阱结构，在工作温度下，经过激光器仿真软件Crosslight-lastip模拟仿真阱宽分别为8 nm、11 nm和14 nm. 如图1所示阱宽为8 nm时，最大增益波长为838 nm，最大材料增益为2 429 cm-1.

如图2所示，阱宽为11 nm时，最大增益波长为849 nm，最大增益为2 137 cm-1.

如图3所示阱宽为14 nm时，最大增益波长在859 nm 最大增益为1 709 cm-1.

量子阱宽为14 nm时，在材料增益曲线图中出现两个波峰，但不同曲线代表载流子浓度不同，载流子密集处在859 nm处，所以材料最大增益以859 nm的出射光为主。图1、图2、图3最大增益的波长分别为838 nm、849 nm、859 nm，且满足器件超辐射波长的要求。

垒层采用50 nm，超辐射发光器件在大电流注入下工作，如果垒层增加，则由于极化效应，电子跳出阱层所需要克服的势垒也明显增加，从而抑制了载流子泄露，所以选用稍厚的垒层。

波导层采用非对称波导结构，其结构的优点是基于P型材料的光吸收比N型材料强的特性，适当减小P限制层厚度，将光场从对称分布变为非对称分布[17]，使光场适当地偏向N型波导层和限制层，以减少光场模式分布与高掺杂的P限制层的交叠比例，在不降低掺杂浓度的条件下减小光吸收损耗。经过Crosslight-lastip软件仿真，采用1.5 μm限制层和0.5 μm波导层对称结构的输出功率要小于采用1.3 μm/1.5 μm(P/N)限制层和0.1 μm/0.5 μm(P/N)波导层非对称结构，如图4所示。

随着电流的增大，薄P限制层结构有利于增强表面DFB光反馈能力，适合超辐射DFB器件结构。图5为非均匀阱宽、非对称波导层、低垂直发散角材料能带示意图。

外延片的生长过程如下：外延片在GaAs衬底片上进行生长；生长1.0 μm GaAs的N缓冲层；之后生长1.5 μm Al(0.5)GaAs的N限制层；再生长材料0.5 μm Al(x)GaAs(x为0.5→0.2)渐变N波导层；之后生长三量子阱结构依次为14 nm GaAs量子阱，50 nm Al(0.2)GaAs垒层，11 nm GaAs量子阱，50 nm Al(0.2)GaAs垒层，8 nm GaAs量子阱；再生长0.1 μm Al(x)GaAs(x为0.2→0.5)渐变P波导层；之后生长1.3 μm Al(0.5)GaAs的P限制层；最后生长100 nm GaAs帽子层。

外延片生长的三量子阱结构对应最大增益的波长838 nm、849 nm、859 nm是增益钳制式SLD结构设计的关键。为了拓宽器件的光谱宽度，下面进行了增益波长为835 nm、845 nm、855 nm、865 nm的布拉格光栅工艺制作。

2 器件结构设计、纳米压印及工艺制作

采用平面波导吸收区附加双侧腔面蒸镀抗反射膜方法制作超辐射发光管。泵浦区条长为350 μm，条宽为5.0 μm，条高为1.0 μm，吸收区为250 μm. 质子束轰击制作吸收区，其结构如图6所示。

在器件脊形台面上采用纳米压印技术制作表面多波长DFB光反馈系统纳米柱。在匀胶前需要在外延片上蒸镀一层10 nm的镍，因为纳米压印所用的热固化树脂膜非常薄，直接腐蚀很容易脱落，而镍起到了保护和增加外延片与热固化树脂膜浸润度的作用。在明确刻蚀速率后，需要注意以下事项：1)纳米柱底部残胶必须去除干净；2)采用低速间断式刻蚀技术；3)严格控制刻蚀温度，保证刻蚀时干法刻蚀腔体温度变化不超过2 ℃；4)严格固定每次刻蚀外延片所在腔室位置；5)每次所刻蚀外延片尺寸不能过大; 6)利用干法刻蚀中的清洗技术保证刻蚀面光滑。另外，外延片上保护膜材料和厚度的选择、热固化树脂膜厚的选择等都很重要，以确保最后剥离工艺中SiO2膜的顺利去除。

采用纳米压印技术在器件脊形台面上制作多波长表面DFB光反馈系统纳米柱，根据布拉格光栅条件计算出不同波长对应不同阶纳米柱周期长度，光栅的周期满足如下布拉格公式：

(1)

式中：Λ为光栅的周期；λ为入射波长，ne为有效折射率；m为衍射阶次。

根据(1)式，求出增益波长为835 nm、845 nm、855 nm、865 nm的布拉格光栅周期，具体如表1所示。由表1可知，1阶光栅尺寸过小不宜制作，阶次过大增益效果不好，所以纳米压印采用2级布拉格光栅周期长度。

P面溅射Ti/Pt/Au，N面减薄再溅射AuGe/Ni/Au，并在400 ℃的N2环境下保护合金60 s. 在高真空中将SLD芯片解理成腔长600 μm的bar条，然后马上在真空室内将腔面镀上钝化介质薄膜，最后在双侧端面上蒸镀上腔面增透膜，透过率99.0%以上，最后解理单个管芯封装进行综合测试。

表1 不同波长对应不同阶纳米柱周期长度(ne=3.33)

3 分析与讨论

通过对纳米压印条件的进一步优化制备得到了2级布拉格纳米柱。纳米柱的原子力显微镜(AFM)照片如图7所示。

图7中纳米柱符合850 nm 多波长DFB的SLD对2级布拉格光栅周期的要求。另外，从图7可以看出，纳米柱均匀连续，具有非常好的表面形貌。

纳米压印技术与电子束光刻技术相比，成本低，易加工，易于制作大面积图形；纳米压印技术与全息光刻技术[18-20]相比，易于一次制作更复杂、多周期的光栅。

在器件制成后，用功率计和光谱仪对研制的850 nm SLD进行参数测试，850 nm超辐射发光管特性曲线如图8所示。

从图8可知，SLD具有很好的软阈值特性，软阈值为95 mA左右，在软阈值以下以自发辐射为主，在软阈值以上以超辐射为主。增益介质中的载流子受到自发发射光子的激发，受激发射光子变多，光谱变窄，变为放大的自发发射为主。在激励电源为160 mA，室温下连续输出功率为14.63 mW，斜率效率为0.29 W/A.

图9为160 mA电流下的光谱图。由图9可见，SLD中心波长为848.7 nm，FWHM为22 nm，器件在大功率输出状态下仍能保持20 nm以上的FWHM. 器件只采用两种传统抑制激射手段，在大电流注入下很难实现激射的有效抑制，可见本器件采用的增益钳制系统有效地抑制了器件的激射。

4 结论

增益钳制式850 nm SLD器件在结构上创新地提出了一种采用纳米压印制作的新结构，利用增益钳制系统有效地抑制了在SLD上的激射，同时在外延结构上采用非均匀阱宽多量子阱和非对称波导结构。在激励电源电流为160 mA条件下，SLD的中心波长为848.7 nm，FWHM为22 nm，室温下连续输出功率为14.63 mW.

本器件未来将在以下方面予以改进：进一步增大器件的输出功率，增大FWHM；进一步降低器件的阈值电流密度；增加器件的可靠性和稳定性，延长器件寿命。

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