【资讯】波长为1.3μm的InP基光子晶体面发射激光器（PCSEL）进行了研究

2025-04-29 17:14:48

概览

为了应对数据流量的快速增长，数据中心增加了通道数量。然而，目前的系统每个通道使用一个半导体激光器，由于元件数量的增加，功耗和成本都更高。为了克服这些挑战，有人提出了一种新方法，即将来自单个高输出功率激光器的光分支以创建多个通道。然而，现有的电信激光器在单模激光输出方面已经达到了实现高输出功率的极限。因此，我们对波长为1.3μm的InP基光子晶体面发射激光器（PCSEL）进行了研究，将其作为下一代半导体激光器，既能实现单模激光输出，又能实现高输出功率。我们利用干法刻蚀和再生长技术，在室温下实现了连续波条件下超过200mW的高输出功率的单模工作。此外，我们还在短脉冲工作下实现了4.6W的高输出功率。这些结果表明，PCSEL不仅可用于通信，还可用于传感应用。

1. 简介

由于智能手机的广泛使用、社交媒体网络和视频流服务的日益普及以及远程办公等工作方式的转变，网络流量持续增加。为了支持这些服务，数据中心增加了通道数量，以处理不断增长的网络流量。然而，这导致成本上升，因为功耗增加，并且由于每个通道使用一个半导体激光器，导致组件数量增加。为了解决这些问题，已经提出了一种新方法。该方法涉及将来自具有高输出功率的单个激光器的光分支以创建多个通道。然而，当前的电信激光器在使用单模激光实现高输出功率方面已经达到极限。因此，有必要开发下一代半导体激光器以克服现有技术的局限性。

在此背景下，我们正与京都大学合作研发光子晶体面发射激光器 (PCSEL)，作为下一代半导体激光器，以实现单模和高功率操作。波长约为 940 nm 的砷化镓 (GaAs) 基 PCSEL 已经被证明可以实现高输出功率约为 10 W 的单模激光输出。(1),(2) 我们已将该技术扩展到波长范围为 1.3 μm 至 1.55 μm 的 InP 基 PCSEL，适用于电信和人眼安全应用。在本文中，我们首先描述了 PCSEL 的工作原理和特点。然后，解释了 InP 基 PCSEL 的制造工艺和激光特性。通过利用优化的干法刻蚀和再生长技术，我们成功展示了几项关键成果，例如在室温下连续波（CW）条件下的单模激光发射，（3）通过引入双晶格光子晶体实现超过 200 mW 的高输出功率单模激光发射，（4），（5）以及在短脉冲条件下实现瓦级高功率操作。

2. 光子晶体面发射激光器的激光原理

（6）图 1 (a) 展示了 InP 基 PCSEL 的器件结构。在 PCSEL 中，在有源层附近引入二维 (2D) 光子晶体 (PC)*1，从而能够在其奇点（图 1 (b) 中的 Γ 点）形成稳定的二维驻波（或腔模）。如图 1 (c) 所示，二维腔模通过直接 180° 光耦合和 90° 间接光耦合构建，腔模沿垂直方向耦合输出。因此，即使在直径为几毫米的宽腔腔中，PCSEL 也能表现出稳定的单模激光输出。图 2 将 PCSEL 与传统激光器（例如分布反馈 (DFB) 边发射激光器和垂直腔面发射激光器 (VCSEL)）的特性进行了比较。为了利用 DFB 激光器获得高功率，需要延长谐振腔长度并加宽条纹宽度。然而这种方法受限于光栅设计的光耦合系数较低，同时也存在多模激光的问题。同样，VCSEL可以通过增大孔径来提高输出功率，但是也存在多模激光的问题。因此传统激光器需要在单模激光和高输出功率之间进行权衡。这种权衡是由于腔体尺寸的限制，因为光学谐振方向被限制在一个方向，与光发射方向一致。在PCSEL中，由于二维光学谐振，腔体尺寸可以增加，光学辐射方向垂直；因此，由于光学谐振方向与光发射方向不同，设计灵活性提高了。通过利用合理设计的PC，可以有效地消除高阶模式，从而可以从大面积器件中实现高输出功率的单模激光。此外，由于大面积相干谐振，PCSEL能够发射高度准直的光束，其发散角仅为1°或更小。窄光束有望减少电信系统中透镜和其他光学元件的数量，从而降低成本。

3. 器件制造工艺及气孔形成

3-1 器件制作工艺

InP 基 PCSEL 器件制作工艺如下：首先，在 n-InP 衬底上通过金属有机气相外延 (MOVPE) 生长 n-InGaAsP 层。然后，利用电子束光刻和干法刻蚀工艺在 n-InGaAsP PC 层中形成二维双晶格 PC 结构。为了在 1.3 µm 波长下工作，每个晶格的晶格常数 (a) 设置为 ~400 nm。PC 形成后，通过 MOVPE 再生长工艺在二维 PC 上生长 InP 过生长层（间隔层）、InGaAsP 多量子阱 (MQW) 有源层、p-InP 覆盖层和 p+-GaInAs 接触层。决定电流注入面积的 p 电极直径设置为 200 µm。为了实现从衬底侧的光发射，需要形成一个带有圆形窗口的n电极。双晶格光子晶体结构由每个晶胞中的椭圆形和圆形空气孔对组成（如图3所示），用于通过增强光子晶体的非对称性来提高表面发射效率。在该光子晶体结构中，两个方晶格光子晶体以一定的孔间距（d）错开。在GaAs基光子晶体腔面发射激光器（PCSEL）中，通过引入双晶格光子晶体，利用双晶格光子晶体的非对称性增强垂直发射，实现了高输出功率。（2）我们首次在InP基光子晶体腔面发射激光器（PCSEL）中采用这种双晶格光子晶体结构，并优化了孔的距离和形状，从而实现了单模激光的高输出功率。

3-2 高深宽比深空气孔的形成

图4展示了空气孔形成的工艺流程。图4还展示了InP隔离层生长后的原子力显微镜(AFM)图像和MQW再生长后的横截面扫描电子显微镜(SEM)图像。我们的PCSEL的特点是，高深宽比深空气孔是通过薄InP隔离层在有源层下方形成的。这种结构避免了干法刻蚀对有源层造成的损伤，如图4所示。通过优化干法刻蚀条件，我们成功形成了深度超过400纳米、直径仅为100纳米的深气孔，这是形成双晶格PC所必需的。（7）此外，我们还优化了气孔形成的再生长条件，通过增强横向生长，即使在InP间隔层厚度低于100纳米的PC上也能形成原子级平坦的表面。（3）通过采用这些优化的干法刻蚀和再生长条件，形成了深宽比超过5的深气孔。椭圆孔的深度为600纳米，圆形孔的深度为450纳米。通过这项研究，可以在有源层附近形成足够厚度的PC层。这使得PC层和有源层都具有较高的光学限制性，从而可以设计具有高光耦合系数的PCSEL。

4. 激光特性

图5所示为25°C下，双晶格InP基PCSEL在脉冲宽度为1 µs、占空比为0.1%的脉冲条件下的光输出-电流(L-I)特性。图中还给出了相同器件结构中带有圆形气孔的单晶格PCSEL的L-I特性，以供参考。双晶格PCSEL的光功率远高于单晶格PCSEL，其斜率效率是单晶格PCSEL的25倍。这些结果表明，由于PC结构的非对称性，引入双晶格PCSEL可以有效提高斜率效率。

图6 (a)所示为25°C至80°C温度下，双晶格PCSEL在连续波(CW)条件下的L-I特性。激光在25°C时阈值电流（Ith）为230 mA（阈值电流密度（Jth）：730 A/cm²），输出功率为240 mW。25°C时最大斜率效率为0.21 W/A，最大功率转换效率为11%。PCSEL的发射光原理上是上下衍射的。通过引入反射镜将光反射至发射侧，可以提高光功率和斜率效率。

图6（b）绘制了阈值电流密度随温度的变化曲线。特征温度*2（T0）是根据阈值电流密度在30°C至80°C温度范围内的温度依赖性估算出来的，其值为53.7K。这个值与传统的基于InP的DFB激光器的值几乎相同，这表明PCSEL的温度特性与DFB激光器的温度特性相当。

图7 (a) 显示了在25°C、50°C 和80°C 连续波条件下的激光光谱。注入电流设置为接近最大光功率。即使在高输出功率下，在所有温度下都能获得单模激光。边模抑制比 (SMSR) 超过 48 dB。我们还证实了在阈值电流附近的低电流注入下会发生单模激光。这些结果表明 PCSEL 表现出无跳模工作特性。

图7 (b) 绘制了激光波长漂移的温度依赖性。波长漂移到更长的波长，波长漂移为0.103 nm/K，几乎与基于InP 的DFB 激光器相当。

图8 显示了在25°C 和80°C 连续波条件下，注入电流为1000 mA 时PCSEL 发射的远场图样 (FFP)。在25°C至80°C的温度范围内，观察到发散角小于1.5°的窄圆形光束。该结果表明，即使在80°C的高温下，PCSEL独有的窄圆形光束单模激光仍能保持。

窄圆形光束还有望有助于提高传感应用中的空间分辨率和测距距离，特别是作为光检测和测距 (LiDAR) 的光源。在飞行时间 (ToF) 系统 LiDAR 应用中，激光器在短脉冲条件下工作，脉冲宽度为纳秒级。因此，作为对基于 InP 的 PCSEL 传感应用的初步评估，我们测量了短脉冲条件下的 L-I 特性。图 9 显示了双晶格 InP 基 PCSEL 在短脉冲条件下室温下的 L-I 特性，脉冲宽度为 2 µs 和 20 ns，脉冲周期为 1 ms。对于 2 µs 的脉冲宽度，光功率在 5 A 的注入电流下饱和，光功率为 700 mW。另一方面，当脉冲宽度为20 ns时，在35 A的注入电流上限下，峰值功率高达4.6 W。这一峰值功率是迄今为止InP基PCSEL所能达到的最高功率。值得一提的是，通过使用更短的脉冲条件、增加器件尺寸或优化PC设计以实现脉冲工作，可以实现更高的峰值功率。

10显示在室温（RT）下，脉冲宽度为1 µs，占空比为0.1%的脉冲条件下，注入电流低于阈值时，InP基双晶格PCSEL在Γ点附近的测量光子能带结构。能带结构由每个角点的自发光谱获得，这些角点对应于面内波数。（8）可以清晰地观察到反映方晶格PC的四个带边模式（按频率递增的顺序依次为A、B、C和D）。通过比较阈值以下和阈值以上的光谱，可以识别出带边模式B处的激光模式。为了评估PC结构内的光耦合强度，我们估算了每个带边频率180°（K_1D）和90°（K_2D+和K_2D–）衍射的面内光耦合系数。（2）估算的K_1D、K_2D+和K_2D–分别为522 cm^-1、193 cm^-1和131 cm^-1。我们使用严格耦合波分析（RCWA）验证了这些值，（9）得出的耦合系数（K_1D、K_2D+、K_2D–）分别为490 cm^-1、175 cm^-1和141 cm^-1。模拟值与测量值一致，表明PC已按设计形成。我们认为，由于高纵横比的深气孔实现了 100 cm^-1 的相对较高的 K_2D，从而可以在较宽的工作温度范围内产生具有高 SMSR 的单模激光。

5.结论

我们演示了波长为1.3 µm 的InP基双晶格PCSEL的高功率单模激光输出。在室温下，连续波条件下，单模窄圆光束的光功率达到了240 mW。在短脉冲工作条件下，峰值功率高达4.6 W。这些结果证明了InP基PCSEL作为光通信和传感应用的光源具有广阔的应用前景。

技术术语

*1 光子晶体：一种用于控制光传播状态的周期性结构；通过在材料内部制造与光波长相似的周期，可以限制或引导特定波长的光。

*2 特性温度：激光基本特性的指标；特性温度越高，表示在较高温度下可以产生激光。

您好,可以免费咨询,技术客服,Daisy

官网 筱晓(上海)光子技术有限公司

欢迎大家给我们留言，私信我们会详细解答，分享产品链接给您。

免责声明：

资讯内容来源于互联网，目的在于传递信息，提供专业服务，不代表本网站及新媒体平台赞同其观点和对其真实性负责。如对文、图等版权问题存在异议的，请联系我们将协调给予删除处理。行业资讯仅供参考，不存在竞争的经济利益。