InAs/GaAs量子點激光器增益特性

魏育新,陳蕊麗

( 中國人民公安大學刑事科學技術學院，北京　100038)

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InAs/GaAs量子點激光器增益特性

魏育新,陳蕊麗

( 中國人民公安大學刑事科學技術學院，北京100038)

由于載流子在3個維度受到量子限制，半導體量子點具有類似于原子的分立能級，并展現出許多獨特的光學和電學性能.實驗研制了InAs/GaAs量子點半導體激光器，分別采用傅里葉級數展開方法和Hakki-Paoli方法準確地測量和表征量子點激光器的模式增益，分析了其增益與損耗.實驗結果表明Hakki-Paoli方法受測量系統分辨率影響大，在增益譜峰值附近由其得到的增益明顯偏低.采用傅里葉級數展開方法并由測試系統響應函數進行修正，可以獲得更準確的增益譜.

半導體激光器；量子點；模式增益

由于載流子在3個維度受到量子限制，半導體量子點具有類似于原子的分立能級，并展現出許多獨特的光學和電學性能[1-4].相比于傳統的量子阱激光器，半導體量子點激光器具有更低的閾值電流密度、更高的微分增益、更高的溫度穩定性以及更高的調制速率等優越性能,有望成為局域網光通信系統及高速信息處理交換系統所需的關鍵光源，是目前半導體激光器領域的研究熱點[5-7].然而，雖然量子點作為有源層具有較高的微分增益，但由于其光限制因子較小，使得其模式增益不高，這就限制了量子點激光器低閾值工作.因此，為優化量子點激光器的性能，對其模式增益的分析就顯得極為重要.目前，由激光器放大的自發發射譜測量增益譜的方法主要包括：Hakki-Paoli方法[8]，Cassidy方法[9]，傅里葉變換方法[10]，以及傅里葉級數展開方法[11].對量子點激光器增益譜的研究，已有報道采用Hakki-Paoli方法[12-13]和分段接觸[14]的方法測量.本文采用傅里葉級數展開方法和Hakki-Paoli方法分別測量了實驗制備的量子點激光器，并對2種方法獲得的結果進行了比較，獲得了Hakki-Paoli受測量系統分辨率影響大，在增益譜峰值附近由Hakki-Paoli方法得到的增益明顯偏低的結論.

1　Fabry-pérot諧振腔增益譜

采用光譜儀測量Fabry-pérot激光器端面的發光，所測得的譜即所謂放大的自發發射(amplifiedspontaneousemission,ASE)譜.它被激光器的有源區放大并且被激光器端面所形成的Fabry-Pérot腔調制

(1)

其中Is為耦合到導波模式的自發發射，g為與波長相關的模式增益，R1、R2為Fabry-Pérot腔的端面反射率，n為等效折射率，L為諧振腔長，b為單程增益，可以表示為

(2)

基于Hakki-Paoli方法，可以獲得

(3)

其中ASE(λ0)和ASE(λ±π)分別為Fabry-Pérot腔每個縱模的最大值和相鄰的2個最小值.結合方程(2)和方程(3)，即可求得峰值波長處的凈模式增益.

基于傅里葉級數展開(FSE)方法，定義波數β=2π/λ，選擇一個縱模從β-π到β+π，將放大的自發發射按照傅里葉級數展開，其中m級系數

(4)

其中Δβ=βπ-β-π，則

(5)

其中ASE1與ASE0分別為放大自發發射譜的1階和0階傅里葉展開系數，C為與光譜儀分辨率有關的修正系數.

(6)

其中f(x)光譜儀的響應函數，即對線寬遠小于光譜儀分辨率的單模激光的響應.

2　實驗樣品制備

表1為InAs/GaAs量子點激光器外延結構.在n型GaAs襯底上生長緩沖層，然后生長1.4μm的n-Al0.4Ga0.6As光限制層，然后生長5層InAs量子點，再生長1.4μm的p-Al0.4Ga0.6As，最后生長重摻雜的p+GaAs歐姆接觸層，其中有源區使用了5層量子點結構以增加量子點的密度，提高發光強度.

將InAs/GaAs量子點半導體激光器的外延片用光刻膠做掩模，濕法腐蝕4μm寬的脊波導，采用SiO2做電隔離層，開電學窗口后蒸Ti-Pt-Aup-型電極，襯底減薄后蒸Au-Ge-Nin-型電極，然后解理成450μm的激光器管芯，最后將管芯燒焊在銅熱沉上.

表1　InAs/GaAs量子點激光器外延結構Tab.1　Structure schematic diagram of InAs/GaAs quantum dot semiconductor lasers

實驗測得所制備的InAs/GaAs量子點半導體激光器電壓和光輸出響應曲線如圖1所示，其閾值電流約80mA，圖2所示為在注入電流為100mA時的光譜圖.

圖1量子點激光器電壓及輸出光功率隨注入電流的變化曲線

Fig.1Voltageandoutputpowerasfunctionsofinjectioncurrentforquantumdotlasers

圖2注入電流為100mA時量子點激光器激射光譜

Fig.2Emissionspectrumattheinjectioncurrentof100mAforthequantumdotlasers

3　實驗結果與分析

激光器工作的必要條件之一是存在增益介質，產生受激放大.當注入電流使得載流子濃度達到透明載流子濃度時，其增益等于內部損耗.隨著注入電流的進一步增加，有源區粒子數進一步反轉，此時，半導體材料能使對應波長的光產生放大作用，這個放大的能力可以用半導體材料增益描述.這種增益稱為材料增益，一般用gmat表示.考慮到半導體激光器波導結構，與某一特定的波導模式對應的增益為模式增益，這就使得模式增益與材料增益之間相差一個系數——光限制因子Γ.光限制因子描述的是集中在有源區的光場能量占整個波導中光場總能量的比值.此外，光場在諧振腔中諧振過程中，會受到波導中自由載流子吸收損耗，界面處散射損耗等各種不同形式的光子損耗，用α表示.其中，激光器波導中模式的凈模式增益gmod，材料增益以及損耗的關系可由下面的表達式給出gmod=Γgmat-α.公式(2)中g即為凈模式增益gmod.

圖3　注入電流為60 mA時，量子點 激光器放大的自發發射譜Fig.3　Amplified spontaneous emission spectrum with the injection current of 60 mA for the quantum dot lasers

圖3給出了注入電流為60mA時，量子點激光器放大的自發發射譜，其表現為雙峰結構，分別對應于量子點基態和激發態.局部放大如圖所示，從中可以看出，放大的自發發射譜表現為波長的緩變函數，受Fabry-Pérot腔的調制作用，每個縱模的調制深度與端面反射率以及凈模式增益有關.

圖4給出了注入電流分別為10、40、70、80mA時，采用傅里葉級數展開方法獲得的量子點激光器模式增益譜.從圖中可以看出，在注入電流為10mA時，增益譜的峰值在1 310nm附近，其主要來自于量子點基態對增益的貢獻.在整個測試波長范圍內激光器的凈模式增益均小于0，表明在此注入水平下載流子并沒有達到透明載流子濃度，并不足以克服內部損耗.隨著注入電流的增加，在40mA注入電流的情況下，波長1 300nm和1 210nm附近分別出現峰值，分別對應于量子點的基態與激發態對增益的貢獻.1 300nm附近的增益峰值大于1 210nm附近的峰值，這主要是由于載流子從低能態往高能態填充，基態載流子對增益的貢獻大于激發態.隨著注入電流的繼續增加，基態載流子出現飽和，表現為基態增益峰值基本不隨注入電流的增加而增加，而激發態的增益峰值隨著注入電流的增加而顯著增加.

圖5 分別采用傅里葉級數展開方法和Hakki-Paoli方法在注入電流為80mA和30mA時獲得的凈模式增益譜.當注入電流為80mA時，在激光器閾值附近，波長為1 204nm，分別采用傅里葉級數展開方法和Hakki-Paoli方法獲得的模式增益分別為25.0cm-1和23.8cm-1，與激光器端面損耗相比較，可以看出在增益譜峰值附近由Hakki-Paoli方法得到的增益明顯偏低.在注入電流為30mA時，采用傅里葉級數展開方法獲得的增益譜仍高于Hakki-Paoli方法，如圖5所示．在注入電流高于閾值電流時，激射的模式產生競爭使得模式增益無法準確測量．采用Hakki-Paoli方法測量模式增益簡單，但它受測量系統分辨率影響大.傅里葉級數展開方法從單個縱模著手，系統分辨率的影響可以通過簡單修正消除掉，并且由于傅里葉級數展開方法暗含了求平均過程，所以其受噪聲的影響也要小于Hakki-Paoli方法.因此傅里葉級數展開方法獲得的增益譜更為接近實際值.

圖4注入電流分別為10、40、70、80mA時，采用傅里葉級數展開方法獲得的量子點激光器模式增益譜

Fig.4Netmodegainspectraattheinjectioncurrentsof10,40,70,80mAbyFourierseriesexpansionmethod

圖5分別采用傅里葉級數展開方法(FSE)和Hakki-Paoli方法在注入電流為30mA和80mA時獲得的凈模式增益譜

Fig.5Netmodegainspectrumattheinjectioncurrentof30and80mAbyFourierseriesexpansionmethodandHakki-Paolimethod

4　結論

本文實驗制備了波長1.3μm的InAs/GaAs量子點半導體激光器，腔長450μm，脊型波導寬4μm，實現激射閾值電流80mA.由實驗測得的放大的自發發射譜分別采用傅里葉級數展開方法和Hakki-Paoli方法獲得了其增益譜，分析發現由于受測量系統分辨率影響，由Hakki-Paoli方法得到的增益譜在增益譜峰值附近明顯偏低，這主要是由于測量系統分辨率的影響所導致的.通過對傅里葉級數展開方法進行系統分辨率的修正，可以消除其影響，獲得更準確的增益譜.

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(責任編輯：孟素蘭)

GaincharacteristicsofInAs/GaAsquantumdotlasers

WEIYuxin，CHENRuili

(CollegeofCriminalScienceandTechnology,People’sPublicSecurityUniversityofChina,Beijing100038,China)

Duetotheatom-likestatedensities,quantum-dot(QD)lasershaveanumberofuniqueopticalandelectronicproperties.Inthiswork,InAs/GaAsquantumdotsemiconductorlasersarefabricated,andtheirmodegainspectraaremeasuredbytheFourierseriesexpansionmethodandtheHakki-Paolimethod.Hakki-Paolimethodisfoundtobeinfluencedbytheresolutionofthemeasurementsystem,leadingtounderestimatedgain.Ontheotherhand,wefoundthatFourierSeriesExpansionmethodwithacorrectionfactorderivedfromtheresponsefunctionofthemeasurementsystemcanbeusedtoobtaingainspectrumwithhighaccuracy.

semiconductorlaser;quantumdot;modegain

10.3969/j.issn.1000-1565.2016.03.003

2015-04-17

中國人民公安大學基本科研業務費資助項目(2014JKF0013)

魏育新(1974—)，男，江蘇徐州人，中國人民公安大學講師，博士，主要從事半導體器件研究.

E-mail：weiyuxin@ppsuc.edu.cn.

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