用于宽调谐连续波太赫兹应用的双模 InAs/GaAs 量子点 DFB 激光器

摘要

本文制造了一种基于调制 p 型掺杂多层 InAs/GaAs 量子点 (QD) 结构的侧向耦合分布式反馈 (LC-DFB) 激光器。器件在连续波 (CW) 工作下表现出 >47 dB 的高边模抑制比 (SMSR) 和 0.092 nm/K 的高热稳定性 (dλ/dT)，主要得益于调制 p 掺杂和快速热退火 (RTA) 实现的高材料增益，以及浅刻蚀光栅和靠近激光脊波导特性显著降低的波导损耗。凭借该优异 DFB 激光器性能，通过在激光脊两侧精心定义不同周期的光栅结构或缩短激光腔长，实现了宽调谐双波长激射。两个激射模式的波长间距可在 0.5 至 73.4 nm 之间灵活调节，对应频率差 0.10 至 14 THz，这是单器件实现的最大调谐范围，为连续波太赫兹辐射生成提供了新机遇。

背景

分布式反馈 (DFB) 激光器因其窄发射光谱和稳定发射波长，在长距离光纤通信和太赫兹 (THz) 辐射中至关重要。过去十年为追求高性能 DFB 激光器做了大量努力，量子点 (QD) 基 DFB 激光器展现出低阈值电流、高量子效率、宽波长调谐范围和高温稳定性等优势，超越商业量子阱器件。量子点结构中的调制 p 掺杂被证明能有效提升 QD 激光性能，包括温度稳定性和高速调制特性，因显著增强基态 (GS) 增益。快速热退火 (RTA) 也是优化 QD 组装材料质量和光学性能的有效途径，因减少外延生长中产生的点缺陷和位错。传统 DFB 激光器制造通常需两步高质量外延生长。Stubenrauch 等报道了 1.3 µm QD DFB 激光器，但需金属有机气相沉积 (MOCVD) 再生长步骤，引入复杂不确定因素。为避免再生长，Goshima 等提出 QD 基侧向耦合 DFB (LC-DFB) 结构，通过深刻蚀光栅垂直进入脊波导实现，但因波导损耗大导致斜率效率 <0.03 W/A 和 SMSR 仅 20 dB。波导损耗主要源于深刻蚀工艺，高深宽比 (通常 20:1) 使干法或湿法刻蚀难以实现高质量均匀光栅。因此，需将优化的 QD 有源区与改进的器件波导结构相结合。

太赫兹 (THz) 频率辐射源因其在医疗、农业、环境、安全等领域的广泛应用备受关注，紧凑、低成本、频率可调的连续波 (CW) THz 源尤为期望。近期各类半导体双模激光器被研究用于开发 THz 光混频光源。外腔激光器实现了宽频率调谐，但机械移动部件不利于调谐的便利性和稳定性。利用两台略有不同频率的独立 DFB 激光器也可产生 CW THz 信号，受益于 DFB 激光二极管的极窄发射光谱和稳定波长。单个 DFB 激光腔同时发射两条可调谐激光线极具吸引力，因其紧凑、高温稳定性和高光谱质量。

本工作中，多层 InAs/GaAs QD 激光结构由分子束外延 (MBE) 生长，QD 有源区施加 p 型调制掺杂。外延后进行生长后退火。为避免再生长步骤并降低光栅刻蚀深宽比，采用浅刻蚀光栅制备 LC-DFB 激光器。基于 p 型掺杂 QD 的浅刻蚀 LC-DFB 激光器展现 0.2 W/A 高微分效率、47 dB 大 SMSR 和 0.092 nm/K 高热稳定性。此外，通过制造两组不同周期的侧向光栅成功获得双模激射，激射波长可通过精细修改光栅周期简单操控，实现双模频率差从 0.10 到 14 THz 的大范围调谐。本工作展示了 QD 基 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

材料制备与表征

InAs/GaAs QD 激光结构在 Si 掺杂 GaAs (100) 衬底上用 MBE 系统生长。有源区为八堆叠 QD 层，间隔 33 nm GaAs 势垒。每层 QD 含 2.7 ML InAs，覆盖 6 nm InGaAs 应力缓解层。整个有源区夹在下 ~2800 nm n-Al₀.₃Ga₀.₇As 和上 ~1800 nm p-Al₀.₃Ga₀.₇As 包层之间。InAs 沉积温度 510 °C，速率 0.01 ML/s。调制 p 掺杂 (Be) 在距每层 QD 下方 10 nm 的 6 nm GaAs 间隔层中进行，掺杂浓度控制为每量子点 25 个受主。InGa/GaAs QD 层的截面透射电镜 (TEM) 图像见图 1a。原子力显微镜测得 InAs/GaAs QD 密度为 4×10¹⁰ cm⁻²。RTA 处理在 N₂ 氛围 700 °C 下 45 秒，QD 样品由 GaAs 近接盖层保护。

LC-DFB 设计、制备与表征

设计的 LC-DFB 激光器结构示意图见图 1a。该设计仅需一轮外延生长即可制备 LC-DFB 激光器，并降低光栅刻蚀深宽比。窄脊波导及其侧向耦合光栅结构分两步加工，不同于传统单步光刻。侧向耦合光栅需浅刻蚀，大幅降低传统深刻蚀要求的高深宽比。仅刻蚀百纳米级深度使一阶光栅等微小特征尺寸易于实现，为 THz 应用的巧妙器件结构提供新机遇。

根据 LC-DFB 耦合原理，光栅与脊波导的接近程度是极大影响激光性能的关键因素。制备中，脊波导先定义后，电子束光刻 (EBL) 样品相对波导有高度差，光刻胶在 EBL 中会堆积在侧壁旁，难以形成紧邻脊波导的光栅。为解决光刻胶涂覆不均并形成高质量 EBL 光栅图案，聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 胶厚度精心选为 75 nm，优化至使光栅质量达到平衡点。LC-DFB 激光器制备流程：首先用等离子体增强化学气相沉积 (PECVD) 沉积 75 nm SiO₂ 作为光栅浅刻蚀的保护层。光刻定义脊波导，用氯化氢/三氯化硼 (Cl₂/BCl₃) 混合气体的感应耦合等离子体 (ICP) 刻蚀至约 1.75 µm 深度。波导定义后，上部 p 型 AlGaAs 包层经湿法刻蚀再刻至 QD 有源区上方 ~280 nm 处。随后旋涂 PMMA 胶 (分子量 950 K, 厚度 75 nm)，180 °C 烘烤 90 秒。一阶光栅由 EBL 在脊波导旁定义，胶像经 ICP 干法刻蚀转移至 AlGaAs。PMMA 和 AlGaAs 刻蚀速率约为 5 nm/s 和 10 nm/s。制备的 LC-DFB 结构 SEM 图像见图 1b。得益于精心选择的 EBL 曝光剂量和薄胶大幅缓解的光刻胶堆积，光栅紧贴激光脊波导，如图 1b 插图所示。光栅刻蚀深度 135 nm，周期 194 nm。为实现精确宽调谐双波长激射，在脊波导两侧侧向光栅制造两组不同布拉格周期。脊波导上的欧姆接触层被 75 nm SiO₂ 保护层完全覆盖，确保 ICP 刻蚀过程中欧姆接触存活。浅刻蚀光栅控制在 QD 有源区上方 150 nm 以形成良好光耦合。为绝缘和平坦化，刻蚀光栅后再沉积一层 SiO₂。最后用反应离子刻蚀 (RIE) 在 SiO₂ 上开接触窗。Ti/Au 和 Au/Ge/Ni/Au 分别沉积形成顶部和底部欧姆接触。衬底磨薄至约 80 µm 以最小化自热效应。制备 1 mm 和 0.45 mm 长激光腔，发射端面不包膜。激光条 p 面朝上安装在铜散热块上，所有测量在 CW 下进行。

结果与讨论

图 2a 展示基于多层调制 p 掺杂 QD 结构的 LC-DFB 激光器典型功率-电流-电压 (P-I-V) 特性。激光器显示 0.20 W/A 高斜率效率和 33 mA 低阈值电流，表明高材料质量和高光增益。图 2b、c 分别给出未掺杂和 p 掺杂 QD LC-DFB 激光器的阈值电流密度和斜率效率随温度变化。未掺杂器件特征温度 T₀ = 52.3 K (图 2b)，而 p 掺杂器件 T₀ 显著增加，尤其在 15–50 °C 范围内观测到无限 T₀。该温度范围内斜率效率几乎无退化 (未掺杂器件退化 2.6%)，表明 p 掺杂 LC-DFB 激光器斜率效率特征温度 T₁ 也为无限大。T₀ 和 T₁ 的巨大差异主要归因于调制 p 掺杂引入的内建过剩空穴，能显著抑制空穴在紧密能级中的热展宽。基于上述结果，选择 p 掺杂 QD LC-DFB 激光器进行进一步激射谱表征。

图 3 插图显示 1 mm 腔长 p 掺杂 LC-DFB 激光器在室温 (RT) 下 I=2I_th 注入时的发射光谱，观测到单纵模激射于 1292.4 nm，SMSR 高达 47 dB。图 3 展示 p 掺杂 LC-DFB 激光器发射波长随工作温度变化，变化率仅 0.092 nm/K。高温稳定性与折射率温度系数吻合，约为材料增益位移温度系数的五分之一。

Goshima 等 [10] 报道的深刻蚀光栅 QD LC-DFB 激光器斜率效率 <0.03 W/A、SMSR 20 dB，主要因深刻蚀导致大波导损耗。浅刻蚀光栅结构下，Briggs 等 [23] 制备 GaSb 基 LC-DFB 激光器 SMSR 25 dB，但受限于光栅与脊波导距离大导致耦合系数低。本工作中，窄脊波导和光栅分别制备，形成极陡峭光滑的脊波导侧壁，波导损耗极小。浅刻蚀法大幅降低光栅刻蚀深宽比，易于实现高质量一阶光栅结构，保证良好光耦合。通过精控 PMMA 胶厚度和 EBL 光刻参数，有效缓解脊波导侧壁旁光刻胶堆积，形成紧邻脊波导的光栅。此外，优化 MBE 外延参数获得的高量子点密度 ~4.3×10¹⁰ cm⁻² 以及调制 p 掺杂和生长后退火实现的高增益，可能解释本工作 LC-DFB 激光器 47 dB 的大 SMSR。

除了在长距离光传输和波分复用 (WDM) 系统中因窄发射光谱和高热稳定性已展示的广泛应用，LC-DFB 激光器还展现出产生 CW THz 辐射的优势。与利用两台独立二极管激光器产生 THz 辐射的传统方法相比，单器件同时发射双模的 LC-DFB 激光器因成本效益、紧凑性、高稳定性和高光谱质量极具吸引力。与量子阱 (QW) 激光器相比，QD 基发射器凭借两大独特特性更适合宽带可调谐源：一是低态密度导致基态易饱和，进而激发态 (ES) 进一步布居；二是量子点尺寸分布宽可利用量子尺寸效应扩展调谐范围。

由独立制备的侧向光栅组成的 LC-DFB 结构允许高灵活性定义设计的布拉格波长。通过在脊波导两侧制造两组不同布拉格周期 Λ₁ 和 Λ₂ 的光栅，可实现双波长激射，对应两个不同波长 λ₁ 和 λ₂。本文方法涉及为每侧光栅定义两个不同光栅周期。双波长激射测量在 CW 条件下进行。观测到稳定双波长激射，SMSR 约 40 dB。如图 4a 所示，深青、蓝、红、黑线展示不同光栅周期下的双波长激射光谱。1 mm LC-DFB 激光器光栅周期差 Λ₁−Λ₂=0.10 nm 时，两激射波长分别为 1292.40 和 1292.90 nm，波长间距 0.50 nm，对应拍频 ~0.10 THz。调节光栅周期差至 0.64 nm 时，双波长间距扩展至 4.1 nm，对应拍频 0.74 THz。

为获得更大双模调谐范围，将 LC-DFB 激光器腔长缩短至 450 µm，导致基态增益饱和和激发态布居增加，从而同时实现 GS 和 ES 激射。LC-DFB 激光器结构包含两个不同布拉格周期 182 和 194 nm，类似前序报道 [27,28]。如图 4b 所示，两个纵模展现 73.4 nm 大波长分离，对应频率差 14 THz。通过在脊波导两侧侧向实施两个不同周期光栅并精细缩短腔长以允许 ES 激射，InAs/GaAs QD 基激光二极管可发射波长间距从 0.5 到 73.4 nm (对应 0.10–14 THz 频率差) 宽可调的双激射线。与基于两台独立激光器的其他 THz 光混频方案相比，本器件具有结构简单、尺寸紧凑、制造成本低和超宽调谐范围的优势。

结论

制备了一种具有浅刻蚀光栅的 1.3 µm QD LC-DFB 激光器，成功避免了传统 DFB 激光器制备中再生长的复杂性和深刻蚀工艺的困难。得益于调制 p 掺杂、RTA 处理和优化的 LC-DFB 波导结构实现的高材料增益，器件展现 47 dB 大 SMSR 和 0.092 nm/K 高热稳定性。通过在窄脊波导两侧光栅定义两个不同周期或缩短激光腔长，可同时获得两条激射线，且两激射波长间距可在 0.5–73.4 nm (对应 0.10–14 THz 频率差) 之间灵活大范围调节。值得注意的是，该宽调谐范围在单个激光器件中实现，此前未见报道。这些结果展示了 LC-DFB 激光器用于产生 CW THz 辐射的应用前景。

缩略语

CW:

连续波

DFB:

分布式反馈

EBL:

电子束光刻

ES:

激发态

GS:

基态

ICP:

感应耦合等离子体

LC-DFB:

侧向耦合分布式反馈

MOCVD:

金属有机化学气相沉积

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:

扫描电子显微镜

SMSR:

边模抑制比

TEM:

透射电子显微镜

WDM:

波分复用