概覽

為了應對數據流量的快速增長，數據中心增加了通道數量。然而，目前的系統(tǒng)每個通道使用一個半導體激光器，由于元件數量的增加，功耗和成本都更高。為了克服這些挑戰(zhàn)，有人提出了一種新方法，即將來自單個高輸出功率激光器的光分支以創(chuàng)建多個通道。然而，現有的電信激光器在單模激光輸出方面已經達到了實現高輸出功率的極限。因此，我們對波長為1.3μm的InP基光子晶體面發(fā)射激光器（PCSEL）進行了研究，將其作為下一代半導體激光器，既能實現單模激光輸出，又能實現高輸出功率。我們利用干法刻蝕和再生長技術，在室溫下實現了連續(xù)波條件下超過200mW的高輸出功率的單模工作。此外，我們還在短脈沖工作下實現了4.6W的高輸出功率。這些結果表明，PCSEL不僅可用于通信，還可用于傳感應用。

1. 簡介

由于智能手機的廣泛使用、社交媒體網絡和視頻流服務的日益普及以及遠程辦公等工作方式的轉變，網絡流量持續(xù)增加。為了支持這些服務，數據中心增加了通道數量，以處理不斷增長的網絡流量。然而，這導致成本上升，因為功耗增加，并且由于每個通道使用一個半導體激光器，導致組件數量增加。為了解決這些問題，已經提出了一種新方法。該方法涉及將來自具有高輸出功率的單個激光器的光分支以創(chuàng)建多個通道。然而，當前的電信激光器在使用單模激光實現高輸出功率方面已經達到極限。因此，有必要開發(fā)下一代半導體激光器以克服現有技術的局限性。

在此背景下，我們正與京都大學合作研發(fā)光子晶體面發(fā)射激光器 (PCSEL)，作為下一代半導體激光器，以實現單模和高功率操作。波長約為 940 nm 的砷化鎵 (GaAs) 基 PCSEL 已經被證明可以實現高輸出功率約為 10 W 的單模激光輸出。(1),(2) 我們已將該技術擴展到波長范圍為 1.3 μm 至 1.55 μm 的 InP 基 PCSEL，適用于電信和人眼安全應用。在本文中，我們首先描述了 PCSEL 的工作原理和特點。然后，解釋了 InP 基 PCSEL 的制造工藝和激光特性。通過利用優(yōu)化的干法刻蝕和再生長技術，我們成功展示了幾項關鍵成果，例如在室溫下連續(xù)波（CW）條件下的單模激光發(fā)射，（3）通過引入雙晶格光子晶體實現超過 200 mW 的高輸出功率單模激光發(fā)射，（4），（5）以及在短脈沖條件下實現瓦級高功率操作。

2. 光子晶體面發(fā)射激光器的激光原理

（6）圖 1 (a) 展示了 InP 基 PCSEL 的器件結構。在 PCSEL 中，在有源層附近引入二維 (2D) 光子晶體 (PC)*1，從而能夠在其奇點（圖 1 (b) 中的 Γ 點）形成穩(wěn)定的二維駐波（或腔模）。如圖 1 (c) 所示，二維腔模通過直接 180° 光耦合和 90° 間接光耦合構建，腔模沿垂直方向耦合輸出。因此，即使在直徑為幾毫米的寬腔腔中，PCSEL 也能表現出穩(wěn)定的單模激光輸出。圖 2 將 PCSEL 與傳統(tǒng)激光器（例如分布反饋 (DFB) 邊發(fā)射激光器和垂直腔面發(fā)射激光器 (VCSEL)）的特性進行了比較。為了利用 DFB 激光器獲得高功率，需要延長諧振腔長度并加寬條紋寬度。然而這種方法受限于光柵設計的光耦合系數較低，同時也存在多模激光的問題。同樣，VCSEL可以通過增大孔徑來提高輸出功率，但是也存在多模激光的問題。因此傳統(tǒng)激光器需要在單模激光和高輸出功率之間進行權衡。這種權衡是由于腔體尺寸的限制，因為光學諧振方向被限制在一個方向，與光發(fā)射方向一致。在PCSEL中，由于二維光學諧振，腔體尺寸可以增加，光學輻射方向垂直；因此，由于光學諧振方向與光發(fā)射方向不同，設計靈活性提高了。通過利用合理設計的PC，可以有效地消除高階模式，從而可以從大面積器件中實現高輸出功率的單模激光。此外，由于大面積相干諧振，PCSEL能夠發(fā)射高度準直的光束，其發(fā)散角僅為1°或更小。窄光束有望減少電信系統(tǒng)中透鏡和其他光學元件的數量，從而降低成本。

3. 器件制造工藝及氣孔形成

3-1 器件制作工藝

InP 基 PCSEL 器件制作工藝如下：首先，在 n-InP 襯底上通過金屬有機氣相外延 (MOVPE) 生長 n-InGaAsP 層。然后，利用電子束光刻和干法刻蝕工藝在 n-InGaAsP PC 層中形成二維雙晶格 PC 結構。為了在 1.3 µm 波長下工作，每個晶格的晶格常數 (a) 設置為 ~400 nm。PC 形成后，通過 MOVPE 再生長工藝在二維 PC 上生長 InP 過生長層（間隔層）、InGaAsP 多量子阱 (MQW) 有源層、p-InP 覆蓋層和 p+-GaInAs 接觸層。決定電流注入面積的 p 電極直徑設置為 200 µm。為了實現從襯底側的光發(fā)射，需要形成一個帶有圓形窗口的n電極。雙晶格光子晶體結構由每個晶胞中的橢圓形和圓形空氣孔對組成（如圖3所示），用于通過增強光子晶體的非對稱性來提高表面發(fā)射效率。在該光子晶體結構中，兩個方晶格光子晶體以一定的孔間距（d）錯開。在GaAs基光子晶體腔面發(fā)射激光器（PCSEL）中，通過引入雙晶格光子晶體，利用雙晶格光子晶體的非對稱性增強垂直發(fā)射，實現了高輸出功率。（2）我們第一次在InP基光子晶體腔面發(fā)射激光器（PCSEL）中采用這種雙晶格光子晶體結構，并優(yōu)化了孔的距離和形狀，從而實現了單模激光的高輸出功率。

3-2 高深寬比深空氣孔的形成

圖4展示了空氣孔形成的工藝流程。圖4還展示了InP隔離層生長后的原子力顯微鏡(AFM)圖像和MQW再生長后的橫截面掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。我們的PCSEL的特點是，高深寬比深空氣孔是通過薄InP隔離層在有源層下方形成的。這種結構避免了干法刻蝕對有源層造成的損傷，如圖4所示。通過優(yōu)化干法刻蝕條件，我們成功形成了深度超過400納米、直徑僅為100納米的深氣孔，這是形成雙晶格PC所必需的。（7）此外，我們還優(yōu)化了氣孔形成的再生長條件，通過增強橫向生長，即使在InP間隔層厚度低于100納米的PC上也能形成原子級平坦的表面。（3）通過采用這些優(yōu)化的干法刻蝕和再生長條件，形成了深寬比超過5的深氣孔。橢圓孔的深度為600納米，圓形孔的深度為450納米。通過這項研究，可以在有源層附近形成足夠厚度的PC層。這使得PC層和有源層都具有較高的光學限制性，從而可以設計具有高光耦合系數的PCSEL。

4. 激光特性

圖5所示為25°C下，雙晶格InP基PCSEL在脈沖寬度為1 µs、占空比為0.1%的脈沖條件下的光輸出-電流(L-I)特性。圖中還給出了相同器件結構中帶有圓形氣孔的單晶格PCSEL的L-I特性，以供參考。雙晶格PCSEL的光功率遠高于單晶格PCSEL，其斜率效率是單晶格PCSEL的25倍。這些結果表明，由于PC結構的非對稱性，引入雙晶格PCSEL可以有效提高斜率效率。

圖6 (a)所示為25°C至80°C溫度下，雙晶格PCSEL在連續(xù)波(CW)條件下的L-I特性。激光在25°C時閾值電流（Ith）為230 mA（閾值電流密度（Jth）：730 A/cm2），輸出功率為240 mW。25°C時最大斜率效率為0.21 W/A，最大功率轉換效率為11%。PCSEL的發(fā)射光原理上是上下衍射的。通過引入反射鏡將光反射至發(fā)射側，可以提高光功率和斜率效率。

圖6（b）繪制了閾值電流密度隨溫度的變化曲線。特征溫度*2（T0）是根據閾值電流密度在30°C至80°C溫度范圍內的溫度依賴性估算出來的，其值為53.7K。這個值與傳統(tǒng)的基于InP的DFB激光器的值幾乎相同，這表明PCSEL的溫度特性與DFB激光器的溫度特性相當。

圖7 (a) 顯示了在25°C、50°C 和80°C 連續(xù)波條件下的激光光譜。注入電流設置為接近最大光功率。即使在高輸出功率下，在所有溫度下都能獲得單模激光。邊模抑制比 (SMSR) 超過 48 dB。我們還證實了在閾值電流附近的低電流注入下會發(fā)生單模激光。這些結果表明 PCSEL 表現出無跳模工作特性。

圖7 (b) 繪制了激光波長漂移的溫度依賴性。波長漂移到更長的波長，波長漂移為0.103 nm/K，幾乎與基于InP 的DFB 激光器相當。

圖8 顯示了在25°C 和80°C 連續(xù)波條件下，注入電流為1000 mA 時PCSEL 發(fā)射的遠場圖樣 (FFP)。在25°C至80°C的溫度范圍內，觀察到發(fā)散角小于1.5°的窄圓形光束。該結果表明，即使在80°C的高溫下，PCSEL的窄圓形光束單模激光仍能保持。

窄圓形光束還有望有助于提高傳感應用中的空間分辨率和測距距離，特別是作為光檢測和測距 (LiDAR) 的光源。在飛行時間 (ToF) 系統(tǒng) LiDAR 應用中，激光器在短脈沖條件下工作，脈沖寬度為納秒級。因此，作為對基于 InP 的 PCSEL 傳感應用的初步評估，我們測量了短脈沖條件下的 L-I 特性。圖 9 顯示了雙晶格 InP 基 PCSEL 在短脈沖條件下室溫下的 L-I 特性，脈沖寬度為 2 µs 和 20 ns，脈沖周期為 1 ms。對于 2 µs 的脈沖寬度，光功率在 5 A 的注入電流下飽和，光功率為 700 mW。另一方面，當脈沖寬度為20 ns時，在35 A的注入電流上限下，峰值功率高達4.6 W。這一峰值功率是迄今為止InP基PCSEL所能達到的最高功率。值得一提的是，通過使用更短的脈沖條件、增加器件尺寸或優(yōu)化PC設計以實現脈沖工作，可以實現更高的峰值功率。

10顯示在室溫（RT）下，脈沖寬度為1 µs，占空比為0.1%的脈沖條件下，注入電流低于閾值時，InP基雙晶格PCSEL在Γ點附近的測量光子能帶結構。能帶結構由每個角點的自發(fā)光譜獲得，這些角點對應于面內波數。（8）可以清晰地觀察到反映方晶格PC的四個帶邊模式（按頻率遞增的順序依次為A、B、C和D）。通過比較閾值以下和閾值以上的光譜，可以識別出帶邊模式B處的激光模式。為了評估PC結構內的光耦合強度，我們估算了每個帶邊頻率180°（K_1D）和90°（K_2D+和K_2D–）衍射的面內光耦合系數。（2）估算的K_1D、K_2D+和K_2D–分別為522 cm^-1、193 cm^-1和131 cm^-1。我們使用嚴格耦合波分析（RCWA）驗證了這些值，（9）得出的耦合系數（K_1D、K_2D+、K_2D–）分別為490 cm^-1、175 cm^-1和141 cm^-1。模擬值與測量值一致，表明PC已按設計形成。我們認為，由于高縱橫比的深氣孔實現了 100 cm^-1 的相對較高的 K_2D，從而可以在較寬的工作溫度范圍內產生具有高 SMSR 的單模激光。

5.結論

我們演示了波長為1.3 µm 的InP基雙晶格PCSEL的高功率單模激光輸出。在室溫下，連續(xù)波條件下，單模窄圓光束的光功率達到了240 mW。在短脈沖工作條件下，峰值功率高達4.6 W。這些結果證明了InP基PCSEL作為光通信和傳感應用的光源具有廣闊的應用前景。

技術術語

*1 光子晶體：一種用于控制光傳播狀態(tài)的周期性結構；通過在材料內部制造與光波長相似的周期，可以限制或引導特定波長的光。

*2 特性溫度：激光基本特性的指標；特性溫度越高，表示在較高溫度下可以產生激光。

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