CN106329314A - 一种大功率直调激光器 - Google Patents

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贾华宇
赵霞飞
李灯熬
罗飚
刘应军
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser

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Abstract

本发明涉及半导体激光器领域，具体是一种大功率直调激光器。一种大功率直调激光器，该激光器从下到上依次为：N‑InP衬底、N‑InP缓冲层、Al0.24Ga0.23In0.53As包层、Al0.24Ga0.23In0.53As下波导层、有源区、Al0.24Ga0.23In0.53As上波导层、Al0.24Ga0.23In0.53As包层、P‑InP缓冲层、Al0.48In0.52As盖层，有源区势垒层和势阱层的交叉排列，势阱层采用的是AlGaInAs材料，组分为Al0.24Ga0.23In0.53As，厚度为8.0nm，势垒层采用的是InP材料，组分为Al0.0039Ga0.566In0.43As，厚度为3.5nm，有源区量子阱个数为10。本发明激光器阈值电流低，平均增益高，边模抑制比低，输出功率和透明载流子浓度达到高。

Description

一种大功率直调激光器
技术领域
本发明涉及半导体激光器领域，具体是一种大功率直调激光器。
背景技术
相对于单量子阱半导体激光器而言，多量子阱激光器有其独特的优势。当量子阱个数为n时，在尺寸保持不变的情况下，多量子阱半导体激光器最高输出功率可达单量子阱半导体激光器的n倍；在相同的工作电流下，多量子阱半导体激光器的输出功率可达单量子阱半导体激光器的n倍。在理论上，多量子阱半导体激光器可以大大提高输出功率和亮度，有效降低系统尺寸及对大电流电源的需求，是半导体激光器的重要发展方向。
对于高线性大功率激光器来说，量子阱个数的选择也是十分重要的。虽然多量子阱激光器相对于单量子阱激光器有着更好的输出功率和其他性能，可以减少载流子泄露，减小火星区载流子浓度，还能减少俄歇复合率。然而随着量子阱个数的增加，阱层和垒层之间的应力累积会造成晶体质量下降；同时考虑到阱层和垒层的生长温度不同，也会造成的晶体质量随着量子阱个数的增加而下降，从而影响器件性能。因此，量子阱个数并不是越多越好，为了使激光器性能达到最好，量子阱个数的选取是至关重要的。
由于半导体激光器的性能受温度的影响比较明显，温度升高会降低量子效率，升高阈值电流，从而导致激光器的性能变差，所以半导体激光器的温度稳定性就变得异常重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种适合高温、高速光纤通信的温度稳定性高的激光器。
本发明所采用的技术方案是：一种大功率直调激光器，该激光器从下到上依次为：N-InP衬底、N-InP缓冲层、Al0.24Ga0.23In0.53As包层、Al0.24Ga0.23In0.53As下波导层、有源区、Al0.24Ga0.23In0.53As上波导层、Al0.24Ga0.23In0.53As包层、P-InP缓冲层、Al0.48In0.52As盖层，有源区势垒层和势阱层的交叉排列，势阱层采用的是AlGaInAs材料，组分为Al0.24Ga0.23In0.53As，厚度为8.0nm，势垒层采用的是InP材料，组分为Al0.0039Ga0.566In0.43As，厚度为3.5nm，有源区量子阱个数为10。
作为一种优选方式：N-InP衬底材料组分为InP，生长厚度为0-100μm，掺杂N型半导体，掺杂浓度为2×1018/cm3。
作为一种优选方式：N-InP缓冲层材料组分为InP，生长厚度为100-101μm，掺杂N型半导体，掺杂浓度为1×1018/cm3。
作为一种优选方式：Al0.24Ga0.23In0.53As包层材料组分为Al0.24Ga0.23In0.53As，生长厚度为101-101.0985μm，掺杂N型半导体，掺杂浓度为5×1017/cm3。
作为一种优选方式：Al0.24Ga0.23In0.53As下波导层材料组分为Al0.24Ga0.23In0.53As，生长厚度为101.0985-101.1000μm，掺杂P型半导体，掺杂浓度为1×1013/cm3。
作为一种优选方式：有源区生长厚度为101.1000-101.2070μm，势阱层材料组分为Al0.0039Ga0.566In0.43As，厚度为0.0035μm，掺杂P型半导体，掺杂浓度为1×1013/cm3，势垒层材料组分为Al0.24Ga0.23In0.53As，厚度为0.008μm，掺杂P型半导体，掺杂浓度为1×1013/cm3。
作为一种优选方式：Al0.24Ga0.23In0.53As上波导层，材料组分为Al0.24Ga0.23In0.53As，生长厚度为101.2070-101.2085μm，掺杂P型半导体，掺杂浓度为1×1013/cm3。
作为一种优选方式：Al0.24Ga0.23In0.53As包层材料组分为Al0.24Ga0.23In0.53As，生长厚度为101.2085-101.3070μm，掺杂P型半导体，掺杂浓度为5×1017/cm3。
作为一种优选方式：P-InP缓冲层材料组分为InP，生长厚度为101.3070-101.4070μm，掺杂P型半导体，掺杂浓度为1×1018/cm3。
作为一种优选方式：Al0.48In0.52As盖层材料组分为Al0.48In0.52As，生长厚度为101.4070-101.4570μm，掺杂P型半导体，掺杂浓度为1×1018/cm3。
本发明的有益效果是：本发明激光器阈值电流低，平均增益高，边模抑制比低，输出功率和透明载流子浓度达到高。
附图说明
图1、阈值电流和量子阱个数的关系图；
图2、平均增益和量子阱个数的关系图；
图3、边模抑制比和量子阱个数的关系图；
图4、输出功率和量子阱个数的关系图；
图5、透明载流子浓度和量子阱个数的关系图。
具体实施方式
半导体激光器的性能受温度的影响比较明显，温度升高会降低量子效率，升高阈值电流，从而导致激光器的性能变差，所以半导体激光器的温度稳定性就变得异常重要。为了降低成本，我们需要温度稳定性较高的激光器，使其在高温下也能正常工作，无需致冷器。
AlGaInAs/InP材料的导带偏调量大，在AlGaInAs/InP材料制成的激光器中，导带可以形成较深的量子阱，更好的限制有效质量较小的电子，使电子不至于穿越势垒层而被泄露。所以AlGaInAs/InP材料能够有效的阻止高温下载流子的泄露，从而提高激光器的高温特性。
AlGaInAs/InP激光器在高温下仍有较大的量子效率和微分增益，可以进一步提高饱和输出功率和线性度，降低模式谱线的线宽增强因子，可以提高3dB调制带宽，因此AlGaInAs/InP应变量子阱激光器是高温、高速光纤通信的理想光源。
选定以AlGaInAs/InP为材料的大功率直调激光器，确定激光器的生成结构。以十个量子阱个数的激光器为例，具体生成结构从下到上依次为：
N-InP衬底材料，组分为InP，生长厚度为0-100μm，掺杂N型半导体，掺杂浓度为2×1018/cm3。
N-InP缓冲层，材料组分为InP，生长厚度为100-101μm，掺杂N型半导体，掺杂浓度为1×1018/cm3。
Al0.24Ga0.23In0.53As包层，材料组分为Al0.24Ga0.23In0.53As，生长厚度为101-101.0985μm，掺杂N型半导体，掺杂浓度为5×1017/cm3。
Al0.24Ga0.23In0.53As下波导层，材料组分为Al0.24Ga0.23In0.53As，生长厚度为101.0985-101.1000μm，掺杂P型半导体，掺杂浓度为1×1013/cm3。
有源区，生长厚度为101.1000-101.2070μm，势阱层材料组分为Al0.0039Ga0.566In0.43As，厚度为0.0035μm，掺杂P型半导体，掺杂浓度为1×1013/cm3，势垒层材料组分为Al0.24Ga0.23In0.53As，厚度为0.008μm，掺杂P型半导体，掺杂浓度为1×1013/cm3。
Al0.24Ga0.23In0.53As上波导层，材料组分为Al0.24Ga0.23In0.53As，生长厚度为101.2070-101.2085μm，掺杂P型半导体，掺杂浓度为1×1013/cm3。
Al0.24Ga0.23In0.53As包层，材料组分为Al0.24Ga0.23In0.53As，生长厚度为101.2085-101.3070μm，掺杂P型半导体，掺杂浓度为5×1017/cm3。
P-InP缓冲层，材料组分为InP，生长厚度为101.3070-101.4070μm，掺杂P型半导体，掺杂浓度为1×1018/cm3。
Al0.48In0.52As盖层，材料组分为Al0.48In0.52As，生长厚度为101.4070-101.4570μm，掺杂P型半导体，掺杂浓度为1×1018/cm3。
该激光器的每层材料、组分、厚度以及掺杂浓度如下表所示。
通过相应的理论计算及推导公式，计算出最佳量子阱个数，用以验证后续仿真模拟实验结论的正确性。由麦克斯韦方程，引入哈密顿算符，再采用密度矩阵分析法，综合光波模分析要点得到描写载流子和光强随时间变化的方程式，给激光器注入稳定电流，经过一段瞬态过程后，电子密度和光子密度达到稳定状态，求解稳态速率方程组，可为计算最佳量子阱个数提供理论依据。
载流子密度速率方程式为：
其中：N：注入载流子密度；光子能量；G：增益系数；光波电磁场的能量密度；τs：导带价带弛豫时间；N/τs：单位时间内有源区单位体积光子的自然发射；J：注入电流密度；d：有源层厚度；q：电荷电量；J/dq：单位时间单位体积注入载流子数。
假设激光器以单一激光膜振荡，电场可写为：
E → ( r → , t ) = E → ( r → ) exp ( - i ω t x ) E ( t ) - - - ( 2 )
其中：
光子密度为S，定义为谐振腔内光子数：
其中：VC：谐振腔体积；Va：有源区体积。
受激复合项在有源区平均值写成：
其中：Γ：光波模在有源区内的限制系数。
由此(1)式可以写成：
dN/dt＝-ΓGS-N/τs+J/dq (5)
其中：Γ为限制系数；G为时间增益系数；S为光子密度；τs是载流子寿命。
根据上式我们写出光子密度速率方程：
dS/dt＝ΓGS-S/τph+CsN/τs (6)
其中：Γ为限制系数；G为时间增益系数；S为光子密度；τph为光子寿命；Cs为自发辐射系数；τs是载流子寿命。
速率方程稳态解：
给激光器注入恒定电流，经过一段瞬态过程(若干纳秒)后，电子密度和光子密度达到稳定状态，这时dN/dt＝0，dS/dt＝0，求解稳态速率方程组：
dN/dt＝-ΓGS-N/τs+J/dq (7)
dS/dt＝ΓGS-S/τph+CsN/τs (8)
其中：Γ为限制系数；G为时间增益系数；S为光子密度；τs是载流子寿命；τph为光子寿命；-ΓGS是受激复合项，N/τs是自然发射复合项，J/dq是由注入引起的少数载流子密度变化。
在Cs＝0这一极端情况下定义阈值电流，稳态载流子密度和阈值电流分别为：
N＝N0exp(1/τphMΓ0G0) (9)
其中：N0为透明载流子浓度；τph为光子寿命；M为量子阱个数；Γ0为限制因子；
G0为量子阱结构的增益系数；
Ith＝eMV/ητs*N0exp(1/τphMΓ0G0) (10)
其中：e为电子电量；V为单个量子阱体积；η为注入效率；τs为载流子寿命；N0为透明载流子浓度；M为量子阱个数；Γ0为限制因子；G0为量子阱结构的增益系数；对上式取极值：
M o p t = 1 / τ p h MΓ 0 G 0 = υ g / Γ 0 G 0 ( a int + 1 L + l n 1 R ) - - - ( 11 )
其中：τph为光子寿命；M为量子阱个数；Γ0为限制因子；G0为量子阱结构的增益系数；aint为内部损耗，L为腔长；R为端面反射率。
由上式可知，多量子阱最佳阱数Mopt与器件参数(腔长L、光场限制因子Γ0和反射率R)为反比关系。
基于以上理论过程，以及表2中激光器的具体参数，可以计算得出最佳量子阱个数为10。
在确定好激光器的各层组分、厚度以及掺杂厚度之后，利用ALDS仿真软件模拟生成该激光器。具体步骤为：(1)在ALDS结构输入部分，可以构建激光器的长度和横截面结构，为当前项目进行分节。(2)该激光器结构分为三节，依次是折射率为0.95的横截面、长度为300um的分支、折射率为0.03的横截面。(3)进行3D横截面和长度仿真，在结构输入中从下到上，依次画出激光器的各层厚度，并为相应层添加材料组分和掺杂浓度。(4)保证激光器各层厚度、组分和掺杂浓度不变，更改有源区量子阱的个数。分别选取量子阱个数为7、8、9、10、11、12、13，画出7组激光器进行对比，画出不同量子阱个数的激光器。
画出激光器结构之后，对每组激光器进行结构和材料求解，包括电路提取、热电路提取、横向光学解算器、以及材料求解。通过这个过程计算出激光器的各项基本性能参数。运行不同的求解过程之后，可以得到相应的电路图以及波形图，用以观测激光器的工作状态和性能。
进行阈值分析，在局部偏置设置中，散热片温度选择300K，最大估计阈值电流选择100mA。相应的电气模态参数、光学模态参数、热模态参数、材料的模态参数已由上述过程求解出，这里需要从文件中把所有计算出的负载值加载到阈值电流框中，进行阈值电流分析，可以得出阈值电流和模态波长参数，以及左右两边的边模抑制比。
进行稳态分析，在局部偏置设置中，散热片温度选择300K，有源区最大偏置电流选择100mA。执行稳态分析，可以生成一模波长和偏置电流、外部效率和偏置电流、一模功率和偏置电流、边模抑制比和偏置电流的关系曲线图。在执行稳态分析之后，在输出选项卡中可以得出其光学特性参数和载流子、增益、热特性参数。
进行分布和频谱分析，在局部偏置设置中，散热片温度选择300K，抽样误差电流为500mA。执行分布和频谱分析，可以生成一模功率和偏置电流之间的关系曲线图，以及光谱。在执行分布和频谱分析之后，在输出选项卡中可以得出其分布和光谱参数。
进行小信号分析，在局部偏置设置中，散热片温度选择300K，抽样偏置电流为500mA，调制深度为0.1，调制电流为0.1mA，抽样频率为108Hz，双色调差异频率107Hz，扫描下边界频率为103Hz，扫描上边界频率为3×1011Hz。执行小信号分析，可以得到驰豫振荡频率和偏置电流的关系曲线图，以及强度调制响应和调制频率的关系曲线图。在输出选项卡中，可以得出其强度调制响应、频率调制响应和功率比参数。
进行噪声分析，在局部偏置设置中，散热片温度为300K，抽样偏置电流为500mA，扫描下边界频率为103Hz，扫描上边界频率为3×1011Hz。执行噪声分析，可以得到相对调制噪声和偏置电流的关系曲线图，以及相对调制噪声和调制频率之间的关系，即相对调制噪声谱。在输出选项卡中，可以得出噪声频谱和其他参数。
进行大信号分析，工作温度为300K，比特率为10Gbits/s，占空比为1，最小直流偏置电流为10mA，最大偏置电流为10mA，位序列起始时间为1ns，位序列模式为随机序列，位序列长度为2。噪声参数中，噪声耦合系数为5×10-5mA，彼得曼因子为1；仿真控制参数中，定义基准波长为1.3um，定义调制带宽为10nm，每10ps输出间隔为0，进行线性调频计算。在输出选项卡中，可以得出输出功率和线性波长参数。
对七组不同量子阱个数的激光器分别测试出阈值电流、平均增益、边模抑制比、输出功率以及透明载流子浓度，分析量子阱个数对激光器这些性能参数的影响。
当量子阱个数为7时，阈值电流为18.6mA，平均增益为2946cm-1，边模抑制比为4.23dB，输出光功率为3.3×102mW，透明载流子浓度为699.8×1015cm3.
当量子阱个数为8时，阈值电流为15.88mA，平均增益为3248cm-1，边模抑制比为4.19dB，输出光功率为3.7×102mW，透明载流子浓度为700.4×1015cm3.
当量子阱个数为9时，阈值电流为14.2mA，平均增益为3799cm-1，边模抑制比为4.16dB，输出光功率为4.6×102mW，透明载流子浓度为700.9×1015cm3.
当量子阱个数为10时，阈值电流为13.4mA，平均增益为4355cm-1，边模抑制比为4.15dB，输出光功率为5.6×102mW，透明载流子浓度为701.2×1015cm3.
当量子阱个数为11时，阈值电流为13.45mA，平均增益为2298cm-1，边模抑制比为4.16dB，输出光功率为4.5×102mW，透明载流子浓度为701.1×1015cm3.
当量子阱个数为12时，阈值电流为13.57mA，平均增益为1990cm-1，边模抑制比为4.17dB，输出光功率为4.1×102mW，透明载流子浓度为700.9×1015cm3.当量子阱个数为13时，阈值电流为13.69mA，平均增益为1943cm-1，边模抑制比为4.19dB，输出光功率为3.7×102mW，透明载流子浓度为700.7×1015cm3.基于以上分析，可以得出在量子阱个数为10时，激光器各项性能达到最优。不同量子阱个数下的激光器性能参数表
多量子阱半导体激光器阈值电流与量子阱个数的关系如图1所示。对于阈值电流的最小值还存在一个最佳阱数值，不同于计算所得的线性关系的结果，随着量子阱数M的增加，多量子阱半导体激光器阈值电流Ith会随之减小，但并不是量子阱数M越大越好，一方面是由于目前材料制造技术限制，另一方面，随着量子阱数增多，有源层总厚度增加，导致光限制系数减小，进而又使阈值电流增加。由图1的趋势可以得出，当量子阱个数为10时，阈值电流达到最小值13.4mA。多量子阱半导体激光器平均增益与量子阱个数的关系如图2所示。理论上激光器增益与电流密度关系是线性的，当阱数为十时，量子阱增益最大，模拟结果与理论吻合。当量子阱个数再继续增加时，平均增益又会急剧下降，这说明当量子阱个数为10时，平均增益可以达到最大值。实际上现在很多设计中讨论了线宽展宽因子α，利用增益来计算半导体激光器的α因子。
多量子阱半导体激光器边模抑制比(SMSR)与量子阱个数的关系如图3所示。当量子阱个数过少时，边模抑制比会比较大，从而影响激光器的性能，随着量子阱个数的增加，边模抑制比会不断下降，直到量子阱个数为十时，降到最低。当量子阱个数再继续增加，边模抑制比又会继续增大，这说明当量子阱个数为十时，边模抑制比达到最优状态。
多量子阱半导体激光器的功率与量子阱个数的关系如图4所示。当量子阱个数过少时，激光器输出功率较低，亮度较弱，随着量子阱个数的增加，载流子复合率不断增加，使得激光器输出功率也在不断增加。当量子阱个数为十时，激光器输出功率达到最高。当量子阱个数再继续增加时，激光器功率又会出现下降趋势，这表明在量子阱个数为十时，激光器的输出功率达到最大值。
多量子阱半导体激光器的透明载流子浓度与量子阱个数的关系如图5所示。当量子阱个数较少时，激光器的透明载流子浓度比较低，激光器的性能比较差，随着量子阱个数的不断增加，透明载流子浓度线性增加。当量子阱个数达到十时，透明载流子浓度达到最大。当量子阱个数再继续增加时，透明载流子浓度会逐渐下降，这表明在量子阱个数为十时，激光器的透明载流子浓度达到最大值。
量子阱个数对激光器性能的影响至关重要，当量子阱个数较少时，量子阱能容纳的载流子是有限的，更多的载流子会在包层就进行复合，造成很大的载流子浪费。所以适当的增多量子阱的个数，就会使更多的载流子进入量子阱内发生复合，从而提高载流子的复合率。但是随着量子阱个数的进一步增加，生长材料的厚度就会高于临界厚度，阱层与垒层的应力累积会极大影响激光器的性能，使得极化现象明显，并造成不必要的材料浪费。
分析已知数据可以得出结论：当量子阱个数为十时，AlGaInAs/InP激光器的各项性能达到最优。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种大功率直调激光器，其特征在于：该激光器从下到上依次为：N-InP衬底、N-InP缓冲层、Al0.24Ga0.23In0.53As包层、Al0.24Ga0.23In0.53As下波导层、有源区、Al0.24Ga0.23In0.53As上波导层、Al0.24Ga0.23In0.53As包层、P-InP缓冲层、Al0.48In0.52As盖层，有源区势垒层和势阱层的交叉排列，势阱层采用的是AlGaInAs材料，组分为Al0.24Ga0.23In0.53As，厚度为8.0nm，势垒层采用的是InP材料，组分为Al0.0039Ga0.566In0.43As，厚度为3.5nm，有源区量子阱个数为10。
2.根据权利要求1所述的一种大功率直调激光器，其特征在于：N-InP衬底材料组分为InP，生长厚度为0-100，掺杂N型半导体，掺杂浓度为2×1018/cm3。
3.根据权利要求1所述的一种大功率直调激光器，其特征在于：N-InP缓冲层材料组分为InP，生长厚度为100-101，掺杂N型半导体，掺杂浓度为1×1018/cm3。
4.根据权利要求1所述的一种大功率直调激光器，其特征在于：Al0.24Ga0.23In0.53As包层材料组分为Al0.24Ga0.23In0.53As ，生长厚度为101-101.0985，掺杂N型半导体，掺杂浓度为5×1017/cm3。
5.根据权利要求1所述的一种大功率直调激光器，其特征在于：Al0.24Ga0.23In0.53As下波导层材料组分为Al0.24Ga0.23In0.53As ，生长厚度为101.0985-101.1000，掺杂P型半导体，掺杂浓度为1×1013/cm3。
6.根据权利要求1所述的一种大功率直调激光器，其特征在于：有源区生长厚度为101.1000-101.2070，势阱层材料组分为Al0.0039Ga0.566In0.43As，厚度为0.0035，掺杂P型半导体，掺杂浓度为1×1013/cm3，势垒层材料组分为Al0.24Ga0.23In0.53As，厚度为0.008，掺杂P型半导体，掺杂浓度为1×1013/cm3。
7.根据权利要求1所述的一种大功率直调激光器，其特征在于：Al0.24Ga0.23In0.53As上波导层，材料组分为Al0.24Ga0.23In0.53As，生长厚度为101.2070-101.2085，掺杂P型半导体，掺杂浓度为1×1013/cm3。
8.根据权利要求1所述的一种大功率直调激光器，其特征在于：Al0.24Ga0.23In0.53As包层材料组分为Al0.24Ga0.23In0.53As，生长厚度为101.2085-101.3070，掺杂P型半导体，掺杂浓度为5×1017/cm3。
9.根据权利要求1所述的一种大功率直调激光器，其特征在于：P-InP缓冲层材料组分为InP，生长厚度为101.3070-101.4070，掺杂P型半导体，掺杂浓度为1×1018/cm3。
10.根据权利要求1所述的一种大功率直调激光器，其特征在于：根据权利要求1所述的一种大功率直调激光器，其特征在于：Al0.48In0.52As盖层材料组分为Al0.48In0.52As，生长厚度为101.4070-101.4570，掺杂P型半导体，掺杂浓度为1×1018/cm3。
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US5222090A (en) * 1992-03-05 1993-06-22 Mcdonnell Douglas Corporation 700-850 nanometer semiconductor diode laser
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