InAs/GaAs 量子点双模分布式反馈激光器面向大调谐范围连续波太赫兹应用

背景

分布式反馈 (DFB) 激光器由于其窄发射光谱和稳定的发射波长，在长距离光纤通信和太赫兹 (THz) 辐射中的广泛应用具有重要的技术意义 [1,2,3]。近十年来，人们在追求高性能DFB激光器方面进行了大量努力和各种尝试，基于量子点（QD）的DFB激光器表现出低阈值电流、高量子效率、宽带波长调谐范围和商业量子阱器件的高温稳定性 [4,5,6]。由于基态 (GS) 显着增强，量子点激光器结构中的调制 p 掺杂已被证明是进一步提高 QD 激光器性能的有效方法，包括温度稳定性 [7] 和高速调制特性 [8]获得。此外，还发现快速热退火 (RTA) 是优化 QD 组件材料质量和光学特性的另一种有效方式，因为减少了外延生长过程中产生的点缺陷和位错。 DFB 激光器的传统制造工艺通常需要两步高质量的外延生长 [9]。 Stubenrauch 等人。报道了具有高静态和动态性能的 1.3-μm QD DFB 激光器的制造；然而，在制造布拉格光栅结构和底部包层和有源区的外延生长后，需要金属有机气相化学沉积（MOCVD）外延再生长步骤来完成整个激光器结构，导致许多复杂和不确定的因素。 1]。为了避免再生长过程，Goshima 等人。提出了一种基于 QD 的横向耦合分布反馈 (LC-DFB) 激光器结构，该结构通过将光栅垂直深蚀刻到脊形波导中来实现，但斜率效率低于 0.03 W/A，并且边模抑制比 (SMSR) 小由于大的波导损耗 [10]，观察到 20 dB。波导损耗主要来自深蚀刻工艺，无论是干法蚀刻还是湿法蚀刻工艺都要求高深宽比（通常为20：1）的技术问题，因此很难实现高质量和均匀的光栅结构[11]。因此，为了实现超高性能DFB激光器，需要寻找一种将优化的QD有源区与改进的器件波导结构相结合的方法。

太赫兹 (THz) 频率辐射源因其繁荣的医疗、农业、环境和安全应用 [12, 13] 以及太赫兹辐射源的频率可调连续波 (CW) 操作具有紧凑的尺寸和低成本是特别需要的。最近，为了开发用于太赫兹光混合的光学拍频源，已经研究了各种半导体双模激光器。广泛的频率调谐已经通过使用同时发射两条不同波长的线的外腔激光器得到证明 [14, 15]。然而，外腔激光系统中的机械运动部件对于波长调谐既不方便也不稳定。还可以使用两个频率略有不同的独立 DFB 激光束生成 CW THz 信号。该技术已成为产生太赫兹辐射的绝佳选择，受益于 DFB 激光二极管的非常窄的发射光谱和稳定的发射波长 [3, 16,17,18]。除了那些报道的太赫兹光混合配置之外，从单个 DFB 激光腔同时发射两条可调谐激光线由于其紧凑性、高温稳定性和高光谱质量而非常有吸引力 [3, 19]。

在这项工作中，通过分子束外延 (MBE) 生长了多个 InAs/GaAs QD 激光器结构，并将 p 型调制掺杂应用于 QD 有源区。在外延生长之后，QD 样品通过生长后退火工艺进行处理。为了避免过度生长步骤并降低光栅蚀刻中的纵横比，LC-DFB激光器采用浅蚀刻光栅制造。基于 p 掺杂 QD 的浅蚀刻 LC-DFB 激光器具有 0.2 W/A 的高差分效率、47 dB 的大 SMSR 和 0.092 nm/K 的高热稳定性 dλ/dT。此外，LC-DFB激光器通过制作两组不同周期的光栅成功获得了双模激光，通过精细修改光栅周期可以简单地控制激光波长，从而实现频率的大范围调谐。从 0.10 到 14 THz 的两种激光模式的差异。我们的工作证明了基于 QD 的 LC-DFB 激光器在长距离光纤通信和 CW THz 辐射源中的应用前景。

方法

材料的制备和表征

InAs/GaAs QD 激光器结构通过 MBE 系统在 Si 掺杂的 GaAs (100) 衬底上生长。激光器结构的有源区是由 33 纳米厚的 GaAs 势垒隔开的八层 QD 层。每个 QD 层包含 2.7 ML InAs，覆盖有 6 纳米厚的 InGaAs 应变降低层。并且整个有源区被下部~ 2800 nm n-Al0.3Ga0.7As 和上部~ 1800 nm p-Al0.3Ga0.7As 的包覆层夹在中间。 InAs 在 510°C 的生长温度和 0.01 ML/s 的生长速率下的沉积。在位于每个 QD 层下方 10 nm 的 GaAs 间隔层中的 6 nm 层中使用 Be 进行调制 p 掺杂，并且将掺杂浓度控制为每点 25 个受主。 InGa/GaAs QD 层的横截面透射电子显微镜 (TEM) 图像如图 1a 所示。 InAs/GaAs QD 的密度确定为 4 × 10 ¹⁰ cm ⁻² 通过原子力显微镜测量。 RTA 处理在 N2 环境中在 700°C 的温度下进行 45 秒。 QD样品在退火过程中受到GaAs接近帽的保护。

InAs/GaAs QDs LC-DFB激光器结构示意图和形貌。 一 InAs/GaAs QD LC-DFB激光器结构示意图。插图：QD 有源层结构的横截面 TEM 图像。 b 具有一阶光栅的 LC-DFB 激光器结构的 SEM 图像俯视图。插图：放大的 SEM 图像聚焦在光栅和脊形波导之间的连接处

LC-DFB 的设计、制造和表征

设计的 LC-DFB 激光器结构示意图如图 1a 所示。这种设计方法仅通过一轮外延生长就可以制造 LC-DFB 激光器，并降低了光栅蚀刻中的纵横比。窄脊波导及其横向耦合光栅结构的形成分为两个工艺步骤，不同于传统的定义光刻工艺[1,9,10]。横向耦合光栅的制造需要浅蚀刻，这降低了传统深蚀刻方法所需的干蚀刻中的高纵横比。此外，在半导体中仅蚀刻一百多纳米的光栅可以很容易地实现像一阶光栅这样具有非常小的特征尺寸的光栅结构，从而为开发面向太赫兹应用的巧妙器件结构提供了新的机会。

参考LC-DFB的耦合原理，众所周知，光栅与脊的接近程度是极大影响激光性能的关键因素[20]。在制作过程中，脊形波导首次定义后，电子束光刻（EBL）的样品相对于波导存在高度差，EBL过程中光刻胶会堆积在侧壁旁边，这使得制作困难形成与脊相邻的光栅。为了解决光刻胶涂层不均匀的问题，并通过 EBL 形成高质量的光栅图案，聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 抗蚀剂的厚度经过精心选择，薄至 75 nm，优化了光栅质量达到它们的平衡点。 LC-DFB激光器是通过以下程序制造的。首先，使用等离子体增强化学气相沉积 (PECVD) 在外延结构顶部沉积 75 nm SiO2 层，作为光栅浅蚀刻的蚀刻保护层。脊形波导结构使用光刻法进行图案化，并使用感应耦合等离子体 (ICP) 技术和 Cl2 和 BCl3 的气体混合物蚀刻至约 1.75 μm 的深度。定义了波导结构后，通过湿法蚀刻进一步蚀刻上部 p 侧 AlGaAs 包覆层，湿法蚀刻停止在 QD 有源区上方～ 280 nm 处。之后，样品旋涂有 PMMA 抗蚀剂（分子量为 950 K，厚度为 75 nm）并在 180 °C 下烘烤 90 秒。通过 EBL 在脊形波导旁边定义一阶光栅，然后通过 ICP 干法蚀刻将抗蚀剂图像转移到 AlGaAs 中。 PMMA 抗蚀剂和 AlGaAs 的蚀刻速率分别约为 5 nm/s 和 10 nm/s。制造的 LC-DFB 结构的扫描电子显微镜 (SEM) 图像如图 1b 所示。得益于对 EBL 曝光剂量的精心选择和由于薄抗蚀剂而大大减轻的光刻胶堆叠，光栅与激光脊形波导紧密相连，如图 1b 的插图所示。光栅刻蚀深度为 135 nm，光栅周期为 194 nm。为了实现精确且广泛调谐的双波长激光，在脊形波导的两侧为横向光栅制造了两个不同的布拉格周期。脊形波导上的欧姆接触层完全受到 75 nm 厚的 SiO2 保护层的保护，以确保在 ICP 蚀刻过程中欧姆接触仍然存在。浅蚀刻光栅被控制在 QD 有源范围上方 150 nm 处，以形成良好的光耦合。为了绝缘和平坦化，在蚀刻光栅后，使用 PECVD 在样品上沉积另一层 SiO2。最后，采用反应离子蚀刻 (RIE) 干法蚀刻在 SiO2 中打开接触窗口。然后分别沉积 Ti/Au 和 Au/Ge/Ni/Au 以形成顶部和底部欧姆接触。基板被减薄到大约 80 微米，以最大限度地减少自热效应。制造了 1 和 0.45 毫米长的激光腔，并且发射面没有涂层。激光棒p面朝上安装在铜散热片上，所有测量均在CW操作下进行。

结果与讨论

图 2a 显示了基于多重调制 p 掺杂 QD 结构制造的 LC-DFB 激光器的典型功率-电流-电压 (P-I-V) 特性。激光器显示出明显的 0.20 W/A 高斜率效率和 33 mA 的低阈值，揭示了 QD 结构的高材料质量和高光学增益。未掺杂和 p 掺杂 QD LC-DFB 激光器相对于温度的阈值电流密度和斜率效率分别如图 2b、c 所示。阈值电流密度的特征温度 (T 0) 对于未掺杂的 QD LC-DFB 激光器计算为 52.3 K，如图 2b 所示，而 T p 掺杂 QD LC-DFB 激光器的 0 有显着增加，尤其是在 15 到 50°C 的温度范围内，其中无限 T 观察到 0。此外，在该温度范围内，斜率效率几乎没有下降（未掺杂 QD LC-DFB 激光器下降 2.6%），表明斜率效率 (T 1) 也适用于 p 掺杂 LC-DFB 激光器。 T 两者的最大区别 0 和 T 未掺杂和 p 掺杂 LC-DFB 激光器之间的差异 1 主要归因于由调制 p 掺杂引起的内置过量空穴引起的效应，该效应可以显着抑制空穴在紧密间隔能级中的热展宽 [21, 22]。基于上述结果，选择p掺杂QD LC-DFB激光器进行进一步的激光光谱表征。

LC-DFB 激光器的 P-I-V 和温度相关特性。 一 室温下 p 掺杂 LC-DFB 激光器的 P-I-V 特性。 b 未掺杂和 p 掺杂 LC-DFB 激光器的阈值电流密度的温度依赖性。 c 未掺杂和p掺杂LC-DFB激光器斜率效率的温度依赖性

图 3 的插图显示了在 I 下测量的腔长为 1 mm 的 p 掺杂 LC-DFB 激光器的发射光谱 =2I 可以观察到室温 (RT) 下的 th 注入水平，并且可以观察到 1292.4 nm 的单纵模激光，SMSR 非常大，为 47 dB。图 3 显示了作为 p 掺杂 LC-DFB 激光器工作温度函数的发射波长，其变化率仅为 0.092 nm/K。激光波长的高温稳定性与折射率的温度系数非常吻合，比材料增益漂移的温度系数低约5倍。

发射波长的温度依赖性。插图：在 2I 下测量的 p 掺杂 LC-DFB 激光器的发射光谱 次

最近，Goshima 等人。 [10] 报道了一种 1.3-μm InAs/GaAs QD LC-DFB 激光器，由垂直蚀刻到脊形波导结构中的深光栅制造，观察到低于 0.03 W/A 的低斜率效率和 20 dB 的小 SMSR，这是主要是由于深蚀刻工艺造成的波导损耗大。 Briggs 等人采用浅蚀刻光栅结构。 [23] 已成功制造出基于 GaSb 的 LC-DFB 激光器，其 SMSR 为 25 dB。但由于光栅和脊形波导之间的距离较大，耦合系数较低，进一步改进受到限制，这对 LC-DFB 激光器的性能至关重要。在我们的工作中，窄脊波导和光栅结构是分开制造的，导致脊波导的侧壁非常锋利和光滑，因此波导损耗很小。我们的实验中采用的光栅制造浅蚀刻方法可以大大降低蚀刻光栅的纵横比，并允许制作高质量的一阶光栅结构，确保与光的良好耦合。通过仔细控制 PMMA 抗蚀剂的厚度和 EBL 光刻参数，有效缓解了光刻胶在脊侧壁旁边的堆叠现象，从而导致形成与激光脊形波导紧密相邻的光栅。此外，~ 4.3 × 10 ¹⁰ 的高点密度 cm ⁻² 通过优化 MBE 外延生长参数和通过调制 p 掺杂和生长后退火处理实现的 QD 组件的高增益可能解释了我们 LC-DFB 激光器的大 47 dB SMSR。

除了由于窄发射光谱和高热稳定性的优越特性已经在长距离光传输和波分复用 (WDM) 系统中得到广泛应用外，LC-DFB 激光器还展示了产生 CW THz 辐射的优势。与使用两个独立的二极管激光器产生太赫兹辐射的传统方法相比 [24,25,26]，同时发射两种模式的 LC-DFB 激光器由于成本效益、紧凑性、高稳定性和高光谱质量。与量子阱 (QW) 激光器相比，由于 QD 结构的两个独特特征，基于 QD 的发射器非常适合宽带可调光源。首先，低态密度的性质导致 GS 能级容易饱和，导致激发态 (ES) 的进一步填充。其次，由于自组装QD系综的宽尺寸分布导致受量子尺寸效应控制的宽光谱发光，因此可以利用点尺寸变化来扩展调谐范围。

由独立制造的横向光栅组成的 LC-DFB 结构在定义设计的布拉格波长时具有高度的灵活性。双波长激光可以通过制作两组不同布拉格周期的光栅实现Ʌ 1 和 Ʌ 2 启用两个不同的波长 λ 1 和 λ 2. 此处报告的方法涉及为光栅的每一侧定义两个不同的光栅周期。双波长激光测量是在 CW 条件下进行的。观察到稳定的双波长激光，SMSR 约为 40 dB。如图 4a 所示，深青色、蓝色、红色和黑色线条显示出具有两种不同激光波长的激光光谱。对于具有光栅周期差 Ʌ 的 1-mm LC-DFB 激光器 1 − Ʌ2 =0.10 nm，两个激光波长分别为 1292.40 和 1292.90 nm，产生 0.50 nm 的波长间隔，对应于 ~ 0.10 THz 的频率差。通过将光栅周期差调整到 0.64 nm，双波长间距可以扩展到 4.1 nm，对应于 0.74 THz 的拍频。

双模LC-DFB激光器的光谱。 一 具有不同光栅周期的双波长 LC-DFB 激光器的发射光谱。 b 超短腔长450 μm的LC-DFB激光器双模激光光谱宽间距

为了获得更大的双模激光调谐范围，LC-DFB 激光器的腔长被小心地缩短到 450 μm，由于 GS 增益饱和的影响和增加的ES。 LC-DFB 激光器结构由两个不同的布拉格周期分别为 182 和 194 nm，这与之前的报告 [27, 28] 中描述的类似。如图 4b 所示，两个纵模表现出 73.4 nm 的大波长间隔，对应于 14 THz 的频率差。通过在脊形波导的横向实施两个不同周期光栅并巧妙地缩短腔长度以允许 ES 激光，基于 InAs/GaAs QD 的激光二极管可以发射双激光线，其可调谐波长间隔非常宽，从 0.5 到 73.4 nm，对应于 0.10 –14 THz 频差。与其他类型的基于两个独立激光器的太赫兹光混合方案相比，我们的装置具有结构简单、尺寸紧凑、制造成本低和调谐范围宽等优点。

结论

制作了1.3μm QD LC-DFB激光器浅刻蚀光栅，成功避免了DFB激光器一般制造过程中过度生长的复杂性和深刻蚀工艺的困难。得益于采用调制 p 掺杂、RTA 处理和优化的 LC-DFB 激光波导结构制备的 QD 样品的高材料增益，该器件具有 47 dB 的大 SMSR 和 0.092 nm/K 的高热稳定性 dλ/dT .通过为窄脊波导两侧的光栅定义两个不同的周期或缩短激光腔长，可以同时获得两条激光线，并且可以灵活、大幅度地调整两个激光波长之间的间距，从而可以从 0.5 到 73.4 nm 修改，对应于 0.10 到 14 THz 的频率差。值得注意的是，这种宽调谐范围是在单个激光器件中实现的，目前尚未见报道。这些结果证明了LC-DFB激光器在产生CW THZ辐射方面的应用前景。

缩写

CW：

连续波

DFB：

分布式反馈

EBL：

电子束光刻

ES：

兴奋状态

GS：

基态

ICP：

电感耦合等离子体

LC-DFB：

横向耦合分布反馈

MOCVD：

金属有机气相化学沉积

PECVD：

等离子体增强化学气相沉积

P–I–V：

功率-电流-电压

PMMA：

聚甲基丙烯酸甲酯

QD：

量子点

QW：

量子阱

RT：

室温

RTA：

快速热退火

SEM：

扫描电镜

短信：

边模抑制比

TEM：

透射电子显微镜

WDM：

波分复用