（光学专业论文）环形谐振腔半导体激光器.pdf

摘要 为适应单片集成光电子通讯的发展需要，提出了工艺简单且容易集 成的环形谐振腔半导体激光器。为了使环形谐振腔半导体激光器能够受 激发射，分析了环形谐振腔半导体激光器的模式特性，弯曲损耗，并进 行了工艺制作，探索了环形谐振腔半导体激光器实现激射的途径。 在材料上，采用了发射波长为8 0 8 n m 的g a a s a 1 g a a s 单量子阱激 光器外延材料。在器件结构上，设计了窄脊环形谐振腔和药片式谐振腔； 在器件尺寸上，设计了从5 0 p , m 一2 0 0 m n 一系列半径大小的环形谐振腔； 在湿法腐蚀脊形波导结构中，实验配制出对g a a s a 1 g a a s 材料具有良 好各向同性的h 3 p 0 4 系腐蚀液。 在室温下，对设计的环形谐振腔半导体激光器进行了测试。结果表 明其只是荧光工作，表明5 岫条宽下的各种尺寸环形谐振腔损耗均过 大。 关键词：环形谐振腔弯曲损耗湿法腐蚀 a b s t r a c t f o rt h e d e v e l o p m e n t o fm o n o l i t h i c i n t e g r a t e do p t o c l c e t r o n i c c o r n n l u n i c a t i o n ，w eh a v ed e s i g n e da n df a b r i c a t e dan e wr i n gs e m i c o n d u c t o r l a s e r sw i t hs i m p l ef a b r i c a t i o np r o c e s sa n dg r e a tp o t e n t i a lf o ri n t e g r a t i o n o n t h eb a s eo ft h em o d et h e o r y 、c u r v a t u r el o s sa n df a b r i c a t i o np r o c e s s e s a n a l y s i so f t h er i n gs e m i c o n d u c t o rl a s e r s w ep r o p o s et h ed e v i c ed e s i g nf o r a c h i e y i n gt h es t i m u l a t e de m i s s i o no f r a d i a t i o ni nr i n gs e m i c o n d u c t o rl a s e r s ， 8 0 8 n mw a v e l e n g t hs i n g l eq u a n t u mw c l la 1 g a a s g a a se p i l a y e rw a f e r h a sb e e n u s e dt of a b r i c a t et h el a s e r s i nc o n f i g u r a t i o n w ed e s i g n e dan a r r o w r i d g er i n gr e s o n a t o ra n dp i l l b o xr e s o n a t o r as e r i e so fr i n gr e s o n a t o r so f d i 雎r e n tr a d i u sf r o m5 0 r m a 一5 0 0 p r ow a sf a b r i c a t e d a ne t c h a n tw i t hb e t t e r i s o t r o p i ce t c h i n gp r o p e r t i e sb yh 3 p 0 4s y s t e mw a sf o u n di nt h ep r o c e s so f w e t e t c h i n gr i d g ew a v e g u i d em t b l sp a p e r f i n a l h w eh a v em e a s u r e dt h er i n gs e m i c o n d u c t o rl a s e r si nr o o m t e m p e r a t u r ea n dt h e r e s u l t ss h o wt h a tt h e s el a s e r so n l yw o r k i n gi n f l u o r e s c e n c e t h et e s ts h o w st h a ta 1 1d e v i c e sw i t h5 9 ms t r i p ew i d t hh a v ea h i 皿ll o s s ，a n di ti sp o s s i b l et om a k cr i n gs e m i c o n d u c t o rl a s e rs t i m u l a t eb y i n c r e a s et h ew i d t ho f t h ed d g c k e ) ，w o r d ：r i n gr e s o n a t o r c u r v a t u r el o s sw e te t c h i n g u 长春理工大学硕士( 或博士) 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士( 或博士) 学位论文，论文题 目是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者签名 年土月三徊 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、 博士学位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有 关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编学位论文。 指 年每月学日 年互月互掘 驾 龟 沼 戳 醛 者 鲫 睹 副 中 导 1 1 引言 第一章绪论 半导体激光器在各种激光器中，具有体积小、效率高、价格低的优 点。它可以发出单色性非常好的光束，可以在光纤中传播很长的距离而 没有太大的损失，是光纤通信中最重要的光源。由于半导体激光器容易 与光纤网络或光学系统组合成体积小的光电检测系统，因此半导体激光 器随着电子通讯科技的蓬勃发展与光电检测技术的不断创新，需求也越 来越重要“1 。半导体激光器的应用范围相当的广泛，如日常生活所接触 到的c d r o m 条形读码器、激光打印机、激光医疗，其核心部分都是半 导体激光二极管，可以说它就是光电科技中的基础元件。 传统的线性半导体激光器，必须要平行镜面来形成谐振腔以产生激 射的工作条件。但是要把多种元件( 如波导、探测元件等等) 集成在一 起时，要求集成光源可以提供没有解理面反射的反馈，并要求其对于激 射终端具有最小的影响”1 。这时传统的线性半导体激光器的劈形镜面与 其他元件的最佳配置有时就会有冲突。对于分布反馈( d f b ： d i s t r i b u t i o nf e e d b a c k ) 激光器和分布布拉格反射激光器( d b r ： d i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t o r ) 利用光栅( g r a t i n g ) 来实现光的反馈， 可以避免对劈形镜面的依赖性，但这样结构会带来复杂的制作过程：在 大面积基片制作高质量的光栅和随后高质量的二次材料生长”3 。 在单片集成( m o n o l i t h i ci n t e g r a t i o n ) 光学系统中，半导体激光 器的环形谐振腔结构“1 已经取代了法布里谐振腔得到了广大的发展，原 因在于它不需要两个平行解理面形成的谐振腔或者光栅结构。也不需要 两次晶体生长，因此比较容易制作而且比较容易与其它元件单片集成在 一起形成光集成电路。而平面光刻工艺制造简单可以消除对于高质量镜 面反射的需要，另外环形谐振腔半导体激光器的旁模抑制( s i d em o d e r e j e c t i o n ) 能力很好”，适合操作在单一模态中，所以环形激光器是 集成光路中最可行的光学器件。 1 2 环形腔半导体激光器国内外发展状况 1 9 7 0 年，s c i f r e se ta 1 ”3 报道了在g a a s g a a i a s 单异质结材料中 制作了具有四个契形平面镜的正方形谐振腔并实现了激射；当光与契形 平面成某角度入射时，光将在介质内形成反射回路，而通过在整个腔面 上制作的光栅就可以将能量衍射输出。这种面发射的环形腔激光器在 2 5 倍的阈值电流时功率可达7 0 m w 。 在接下来的十年里更多报道的是半环形波导器件的设计：例如， k a w a g u c h i 和k a w a k a m i 用锌深掺杂双异质结材料实现了室温脉冲工作 的环形腔激光器，它的阈值电流密度降至每平方厘米千安培量级，而直 径也降到了1 3 0 p m 。1 9 7 7 年，日本电报电话公共公司的m a t s u m o t o 和 k u m a b e 报道的具有完整波导结构的环形谐振腔激光器可以看作是第一 个成功的产品，他们也采用了掺锌双异质结材料，只是多了一步完全刻 蚀至衬底的结构设计，而这个设计可以改善环形波导内的光波传输质 量。直径1 3 0 p m 和2 3 0 p m 的圆环形和药片式结构都已经制造出来。1 ，但 是它们都没有接入耦合器，所以只能通过自发辐射和散耗出的光来监控 它的工作情况。 与此同时，远在美国伯克利王教授领导的研究小组正在对半环形波 导的设计进行实验研究，在液相外延生长( l p e ) 的单异质结材料上 制作了直径为3 7 0 p m ，腐蚀深度为0 8 呻，脊宽为4 岬的半环形谐振腔 结构“”。整个装置是由3 3 7 n m 波长的光来泵浦，在7 7 k 的温度下可以激 射出波长为8 2 8 n m 的激光。在此之后，半环形结构连接上了双异质结高 台赢形波导而变成了跑道形结构，这种材料也是由液相外延技术生长 的。跑道结构的弯曲部分的半径为2 0 0 p m ，铬和金合金作为欧姆接触连 接着由腐蚀掩膜形成的1 2 岬宽的波导的顶端。每个马蹄形的半环连接 的直条边可选择不同的长度，而弯曲波导向直条波导过渡区对激光器的 模式选择的影响还有待于进一步的研究。 1 9 8 0 年，廖教授和王教授报道了他们的完整的环形谐振腔半导体 激光器“”，他们采用了药片式结构，中间区域为绝缘层，这样就把电流 限制在了外环中。再在环形腔外侧正切并入一个宽为l o p m 的直条波导。 药片结构和他的正切波导都是在g a a s g a a l a s 双异质结材料刻蚀出来 的；由于正切直波导的一端没有泵浦作用因此它变成了吸收区，而它的 另一端就可以当作药片环形腔的y 形耦合器。在脉冲电流作用下激射时 的阈值电流密度大约在每平方厘米几千安培，而它的输出光强度可以通 过y 形耦合输出端发出的光进行测量。 最近二十年，由于半导体环形腔激光器与其他器件在单片集成中的 简单方便而得到快速的发展成为复杂的光纤通讯中的基本光源。我们可 以通过深刻蚀高掺半导体材料制作弯曲波导，这样它可以产生很强的光 引导和低损耗这样可以将曲率半径降到l o p m 以下“。周长6 0 p m 左右环 形腔内的光增益已经足够使激光器产生激射。但是在这种设计的腔内光 波传播时的波峰将偏向腐蚀脊形波导的外侧壁，所以这个区域的光强度 2 非常高，此时因为侧壁腐蚀的非理想化和腐蚀过程中材料的退化而引起 的损耗将不容忽视，所以使用一种新的制作工艺来建造具有低损耗的环 形波导和直条负载光波导是很有必要的。这种激光器具有低的阈值电 流，并且超过正常工作情况也能观测到单模工作“”。通过与激光器环形 波导连接的绝缘区来减少反偏电压的分布，这样波导区就可看作是饱和 吸收区，在脉冲频率适当的时候就可以产生适合高速光通讯系统所需要 的锁模工作状态。这种制作工艺还适用于在同一衬底上集成其他光电子 器件的生产制作，并且最近的研究表明通过改变量子阱的参杂从而改变 量子阱的结构会制作成一种更低损耗的无源波导结构。 1 3 环形腔半导体激光器的种类 环形谐振腔半导体激光器的谐振腔有几种不同的制作结构，包括三 角形( t r i a n g u l a r s h a p e ) 谐振腔、正方形( s q u a r e s h a p e ) 谐振腔、 圆环形( c i r c u l a r ) 谐振腔、操场形( r a c e t r a c k ) 谐振腔和药片形 ( p i l l b o x ) 谐振腔。 具有三角形谐振腔“”( 图1 1 ) 和正方形谐振腔“”( 图1 2 ) 的环 形腔半导体激光器，因为没有弯曲波导的部分，所以没有弯曲损耗，但 是它必须制作高质量的反射面来改变光的传播路线，以此形成光回路， 每个反射面大约有1 3 的反射损耗，而且在制作过程上是相当困难的， 而其不易在单片集成电路中与其它器件集成。 深刻蚀 图1 i 具有三角形谐振腔的环形腔半导体激光器 颁 深刻 方向耦台器 图1 2 具有正方形谐振腔的环形腔半导体激光器 具有圆环形谐振腔【1 6 】( 图1 3 ) 的环形腔半导体激光器在y 型耦合 器的制作上不易且有较高的损耗。它和具有跑道形谐振腔( 图1 4 ) 的 环形腔半导体激光器【r 丌、药片形环形腔( 图1 5 ) 半导体激光器都有弯 曲波导，都具有弯曲损耗。但在一般的制作过程中药片式谐振腔损耗最 小。而本文也以圆环形谐振腔和药片式谐振腔为主要设计。 图1 3 具有圆环形谐振腔的环形腔半导体激光器 4 z ! ：垩兰三鲨兰 图1 4具有跑道形谐振腔的环形腔半导体激光器 y 型耦合器 图1 5 具有药片形谐振腔的环形腔半导体激光器 1 4 论文研究的目的和内容 本论文中主要研究内容： 1 、用湿法腐蚀( w e te t c h i n g ) 的方法制作环形谐振腔的可行性， 从环形谐振腔的波动方程出发来分析弯曲损耗产生的原因。 2 、在试验中设计了一系列不同半径的制作环形谐振腔半导体激光 器的掩模板。 3 、通过实验寻找对g a a s a 1 g a a s 材料具有各向同性腐蚀液，并利 用其制作均匀弯曲的环形谐振腔并通过适当的腐蚀方法来提高环形谐 振腔侧壁的光滑度以降低侧壁的散射损耗。 4 、阳极氧化方法在半导体激光器制作工艺中的应用。 5 、研究不同深度的脊形波导结构对器件特性的影响。最后分析讨 论了在什么情况下环形腔半导体激光器可以受激发射。 第二章环形谐振腔半导体激光器基本原理与器件设计 2 1 环形谐振腔的波动方程 环形谐振腔中光波导在传播方向上发生弯曲，引起弯曲损耗和传播 常数的改变。一般情况下我们采用笛卡儿坐标系来表示光的波动方程， 而在弯曲波导中采用柱坐标系更为方便。但是为了符合通常的习惯，及 与其他方程联立求解时坐标系统一，下面将讲述如何把柱坐标系下的波 动方程变换成笛卡儿坐标系下的波动方程“”。 如图2 1 所示：传播轴的曲率半径是r o ，考虑光波导沿z 方向传播 时产生弯曲的情况。在柱坐标系中光波导的标量波动方程为； 吾警( ，尹o e + 7 1 万0 2 e + 警怖2 ( ，螂2 。 做如下坐标变换： x = f v 训“云) ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 图2 1 弯曲波导的坐标系转换 6 经坐标变换，2 1 式变为： e 。云学+ 争+ 害榭以圳 、 设z 相关性为e - j p z ，则2 5 式变换为： 磐+ 磐+ 舔讯川。2 岛y z _ e 。2 z 岛- e 积 钞 ( 2 6 ) 在波导中心y = o 处，上式右端传播常数中的e “偶为l ，由于考虑在 波导中心外电磁场的衰减，所以该部分近似为1 。于是便可以知道，在 弯曲波导中可以用n ( x ，y ，z ) e 埔来代替直线波导的折射率分布。因此我 们在数值分析中波导方程即近似为： 磐+ 尝+ 碍”：( 训，z ) p 嚆e ：卢z e ( 2 7 ) 戚 c r y 下面对2 7 式的波导方程做些简单的分析。e 4 偶的泰勒展开的一级 近似为e 2 “1 + y 凡，所以中心波导y = o 附近的折射率分布如图2 2 所 示：这样经过变换后的折射率分布，当y 增大时折射率在( o ，a ) 区间增 大，而光在这种折射率分布不均匀的波导内传播时就要产生辐射损耗， 这种辐射损耗就成为均匀弯曲损耗。但是当很大的时候y 风很小。 在曲率半径很大的波导中，均匀弯曲损耗影响也是很小了。 ! 厂砸鬈 吩布 f 、 。a 0a y 图2 2 弯曲波导的折射率分布 7 ， 侧 2 2 环形谐振腔的曲率损耗 在2 1 节我们分析了弯曲波导的波导方程。由图2 3 示当y 增大时 包层的折射率比芯层的更大，所以产生辐射损耗。这种损耗称为均匀弯 曲损耗。损耗的大小和曲率半径的大小有很大关系，因此在环形腔的设 计中，曲率半径的选择有很大的影响，一般半环形腔的曲率半径至少要 在1 5 0 i 衄一2 0 0 p r o ，当曲率半径为2 5 “r n 时激光器不能产生激射， r o = 5 0 r m a 时只能工作在脉冲状态下【l 州。弯曲损耗的计算公式如下【2 0 】： 其中 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 为曲率半径，n e 为包层的折射率，k o 为真空中的波矢，1 3 为弯曲波导 中的传播常数。 图2 3 弯曲波导场辐射损耗 争耄 2 3 曲率半径对器件影响 2 3 1 曲率半径对侧向光场分布的影响 由2 1 节分析可知，弯曲对波导造成的影响可以等效为对折射率分 布的微扰叭1 。如图2 2 所示，在远离曲率中心的方向，折射率偏大，对 光场的影响表现为光场分布向远离曲率中心的方向移动。不同曲率半径 下的光场分布如图2 4 所示。曲率半径越小，偏离中心位置越大。 如果在波导结构很窄的情况下根据图2 2 我们可以知道光强度则 主要集中在了波导的外侧壁。相对于内侧壁而言，外侧壁则会有更大的 光损耗。 侧向p - 图2 4 基侧模光场分布与曲率半径的关系 基侧模分布与曲率半径的关系，共4 条曲线，从右向左分别对应 曲率半径为1 0 0 ”m 、2 0 0 u m 、3 0 0 岬、5 0 0 p , m 时的相对光场强度分布。由 基侧模的变化趋势可以看出，曲率半径对弯曲波导中光场分布的影响。 9 当曲率半径变大的时，光场分布越趋近于中心对称轴。这是由于曲率半 径较大时，弯曲对波导中光场分布的影响减小，使得光场分布接近直腔 结构中的分布情况。 2 3 2 曲率半径与弯曲损耗的关系。4 均匀弯曲损耗与曲率半径有密切的关系。对环形腔激光器设计而 言，弯曲损耗是主要考虑的损耗之一。我们分析了弯曲损耗与曲率半径 的关系。如图2 5 所示，当曲率半径小于7 0 p j n 时弯曲损耗大于1 6 0 0 c f f l ， 这对激光器设计制作而言是不能接受的，这时大部分光场能量以辐射场 的形式损耗掉了。为了减少由于弯曲损耗对激光器阈值特性影响，由图 2 6 可知，曲率半径要大于7 0 p m ，这样弯曲损耗占整个损耗的比例才能 降到较小的程度。 图2 5 曲率半径与损耗的关系( r = 7 0 l m 一9 0 岬) 由图2 5 中可以看出当曲率半径接近7 0 岬时。弯曲损耗变的很大， 这时弯曲损耗占整个损耗的主要部分。 图2 6 表明在曲率半径较大的时候，这时弯曲损耗变的很小，对整 个损耗的影响较小。 l o 7 嚣 叠 田 毒 图2 6 曲率半径与弯曲损耗关系( r = 8 5 p 一l o o p m ) 2 3 3 曲率半径对阈值电流密度的影响。” 曲率半径对阈值电流密度的影响，可以由曲率半径对弯曲损耗及侧 向光场分布的影响来解释。弯曲损耗的增大表现为达到阈值所需的增益 增大，进而表现为闽值电流密度的增大。如图2 7 和图2 8 所示，当曲 率半径为7 0 p r o 时，阈值电流密度数量级为1 0 4 a c m 2 ，因此为了获得较 低的阈值电流密度，在激光器设计制作中曲率半径必须大于一定的数 值。 图2 7 为曲率半径在较大的范围内变化时，阙值电流密度与曲率半 径变化的关系。当曲率半径为7 0 p r o 时，这时阈值电流密度量级为 i 0 4 a c m 2 ，这种情况可由图2 4 中弯曲损耗的变化来解释。当曲率半径 过小时，由弯曲造成的损耗占整个内部损耗的主要部分，对应着达到阈 值所需的增益的增大，进而表现为阈值电流密度的增大。 当曲率半径大于9 0 p m 时，阈值电流密度降为较低的程度。这是由 于有弯曲损耗对阈值电流密度造成的影响减小。吸收损耗和耦合损耗等 对阈值电流的影响在增大。 量 薹 j t 1 0 - ￥也 0 ，m 1 0 2 图2 7 阐值电流密度与曲率半径的变化关系( r = 7 0 t m - 3 0 0 呻) 图2 8 阈值电流密度与曲率半径的变化关系( 民= 9 0 1 m - 3 0 0 1 ) 1 2 ht之乓斟御蜒脚靼压 2 4 环形谐振腔半导体激光器的模式理论 2 4 1 普通线性半导体激光器的空间模式 可以将半导体激光器的模式分为横模和纵模1 2 3 1 。前者描述模式的侧 向电场强度分布，或者是辐射空间几何位置上的光强( 或光功率) 分布， 也称远场分布：后者则表示为一种频谱，它反映所发射的光束其功率在 不同频率( 或波长) 分量上的分布。两者都可能是单模或者出现多个模 式( 多模) 。边发射半导体激光器具有非圆对称的波导结构，而且在垂 直于异质结平面方向( 称横向) 和平行于异质结平面方向( 称侧向) 有 着不同的器件波导结构和光学场限制特性。横向上都是异质结构成的折 射率波导，而在侧向上目前多是折射率波导，但也可采用增益波导，因 此半导体激光器的空间模式又有横模与侧模之分。图2 1 0 表示了这两 种空间模式。 图2 1 0 半导体激光器的横模与侧模 由于有源层的厚度很薄( 约为0 1 5 p r o ) ，都能保证在基模工作：而 在侧向，普通条形激光器注入区的宽度相对较宽，因此可能出现多侧模 工作。 2 4 2 窄脊形环形谐振腔半导体激光器的横模与侧模 在我们的环形谐振腔半导体激光器中我 f 3 贝j j 采用窄条脊形结构( 脊 宽 5 岬) ，在侧向形成折射率波导结构，这样就大大加强了侧向对光子 的限制作用，可以实现基横模工作。如图2 1 1 表示在窄脊形结构中激 光器的横模和侧模 图2 1 1 窄脊形环形腔半导体激光器的横模与侧模 如果在横向两个正交方向都能以基模工作，则为理想的t e m 。模， 此时出现光强峰值在光束中心且里“单瓣”。这种光束的远场发散角最 小、亮度最高，能与单模光纤有效耦合，也能通过简单的光学系统聚焦 到较小的斑点，这对激光器的应用是非常有利的1 。相反，如果出现多 横模则因其不稳定性，易使激光器的p i 特性曲线发生“扭曲”，使p i 线性变坏，这对信号的模拟调制不利；同时多横模也影响与光纤高效率 的耦合，横模的不稳定性也影响出纤功率的稳定性；不能将这种多横模 的激光束聚焦成小的光斑”。 2 4 3 半导体激光器的纵模 ( 1 ) 概述 环形腔半导体激光器的激射波长也是由禁带宽度e g 决定的，然而 这一波长也必须满足谐振腔内的驻波条件啪1 ( 2n l = r a 九) ，谐振条件决定 1 4 着激光激射波长的精细结构或纵模模谱。因为不同的振荡波长间不存在 损耗的差别，而他们的增益差又小，故除了由式( 九= 】，2 4 e g ) 所决定的 波长能在腔内振荡外，在它的周围还有一些满足( 2n l = m 九) 的波长也可 能在有源介质的增益带宽内获得足够的增益而起振。因而有可能存在一 系列振荡波长，每一波长构成一个振荡模式，称之为腔膜或纵模，并由 它构成一个纵模谱。这些纵模之间的间隔旯为和相应的频率间隔为 m ：三( 2 1 1 ) 2 n g 三 a u = ( 2 1 2 ) 2 n s 三 式中，五为激射波长；c 为光速； r l 。为有源材料的群折射率。 一般的半导体激光器其纵模间隔为0 5 l n m ，而激光介质的增益 谱宽为数十纳米，因而有可能出现多纵模振荡。然而传输速率高的光纤 通信系统，要求半导体激光器是单纵模的。这一方面是为了避免由于光 功率在各个纵模之间随机分配所产生的所谓模分配噪声；另一方面纵模 的减少也是得到很窄的光谱宽所必须的，而窄的线宽有利于减少在高数 据传输速率光纤通信系统中色散的影响。 ( 2 ) 纵模模谱 注入半导体激光器的电流在其内部所引起的一些物理过程相应得 多模速率方程为： _dn-_jinhc-_z。岛sqal e af 口 霉=半+争sqdt f 1 。 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 式中，n 为注入的载流子浓度；j 为滓入电流密度；g 。为阶模增益；s 。 为阶模的光子密度；a 。为腔损耗；c n 为介质中的光速；t 为载流子的 自发发射寿命；y 为自发发射因子 岛在抛物线增益谱近似中为： g q 2 9 。- 【( 4 一九) g o 】2 ( 2 1 5 ) 由有源区内速率方程： 百o n2 瓦i n ( 一0 ) s i n ( 2 1 6 ) 等- - = f a ( n - 咿+ i y n i s ( 21 7 ) 可得到稳态下q 阶模的光子密度： s 。：_ 下# ! 纽一 ( c n ) ( a 。r ) 一g 。】 从半导体激光器的腔面之一输出的光子数为： p q = 0 5 等w a 喜醪a 式中，w 为有源区条宽；r 为解理面的反射率 能量。 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) e 为用焦耳表示的光子 ( 3 ) 激光器的单纵模工作条件 如果主模的饱和输出功率足够高，而次模和其它高阶模的饱和输出 功率又足够低，此时很容易获得单纵模工作，这是非常理想的。但即使 在增益谱均匀加宽的半导体激光器中( 实际上，在阈值以上并非理想的 均匀加宽) ，由于有大的自发发射速率，故在阈值附近有相当一部分功 率在次模中。此后，随着电流的增加，次模功率逐渐趋于饱和，而演变 成单纵模。 由式( 2 1 8 ) 可以得到主模( q = o ，舻k ) 的光子密度： 鼠：坐l ( 2 2 0 ) ( ) 【( q d g 。】 n 和其它纵模的光子密度： & 2 再研z n 7 , 式中，觑为纵模间隔。将( 2 2 0 ) 代入式( 2 2 1 ) 得： 1 6 ( 2 2 1 ) 弘曩历i 虿 我们定义q 阶模的饱和光子密度为： 2 一l i r a s ，_ = 【0 岛) 尝2 】- l 同时有： 旦； ! s ol + s o s q 翻f 因而每一输出面上q 阶模的饱和输出功率为： 2 a r 却”r ) ( - - 玎e ) e s q , 。2 f 2 罢c 去泽华，考，c 鑫，22 i 啸) 吁) 等) 嗡) 蒿) 式中，a = w d ，为有源区的模横面。将自发发射因子： a 4 k ，= = ，一 8 石2 n g a a v o 和纵模间隔：觑= 如2 2 - 。三，代入式( 2 2 5 ) 中得到： ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) = 嚷，c 毕谎，c 芸，c 争争，2 c z z e ， 可见，随腔长线性增加，同时因为g 。和z 均与波长的平房成 正比，所以与波长成正比。由式( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 可以看出，用减少 次模的饱和功率来实现单纵模( 单频) 工作，需要减少自发发射因予y 和腔长、增加腔面的反射率和采取侧向折射率波导结构( k d = 1 ) 。我们 还可以得到第q 阶模功率与主模功率之比为： 墨： ! 昂l + ( 昂) 1 7 ( 2 2 7 ) 要想得到近乎纵模输出，就必须使二晶应尽可能小。如果以( 弓岛) o 0 5 认为激光器为单模工作的判据，则由旁模抑制比( s m s r ) 可以 得出，激光器单模工作时应使昂超过弓。至少1 2 8 d b ，这给出了在均匀 加宽激光器中为达到单纵模工作所需输出功率的下限。 2 5 环形谐振腔半导体激光器的设计形式 由2 1 和2 3 分析我们知道了均匀弯曲波导的弯曲损耗产生的原因 和弯曲波导对光场的影响使得光场分布向远离曲率中心的方向移动，光 强则集中在环形波导的外壁。这就要求我们在制作环形谐振腔时必须保 证波导的均匀弯曲和光滑的外侧壁，以减少弯曲损耗和外侧壁的散射损 耗。所以对腐蚀液的要求十分严格，即我们要选择一种对g a a s a 1 g o a s 材料具有各向同性腐蚀的腐蚀液以保证可以腐蚀出均匀弯曲的环形谐 振腔，还要求这种腐蚀液可以腐蚀出光滑的外侧壁。为了使环形谐振腔 半导体激光器能更好的单模工作，我们将器件设计成窄条脊形结构，以 增加器件对载流子和光场的侧向限制。我们还将腐蚀不同深度的脊形结 构，以探求不同深度的脊形结构对环形谐振腔半导体激光器阂值电流的 影响。 首先，在实验中我们选用g a a s a 1 g a a s 单量子阱激光器材料，中心 波长为8 0 8 n m ，其结构见表2 - 1 所示。 表2 - 18 0 8 n mw a f e r 结构 我们使用湿法腐蚀的方法制作脊形圆环谐振腔和脊形药片式谐振 腔，对于腐蚀液的选择我们将在下章详细讲解。对于圆环形谐振腔半导 体激光器，我们设计了半径由5 0 p m 一2 0 0 9 m 的一系列圆环，脊宽为5 p j n ， 带有y 型耦合输出器。而对于药片式谐振腔半导体激光器，我们也设计 了半径由5 0 p m 一2 0 0 p m 的一系列尺寸，但这里由于制作过程的复杂我们 没有设计耦合输出器。制作后的器件如图2 1 2 所示： 图2 1 2 环形腔形貌图 1 9 第三章环形谐振腔半导体激光器的制作过程 3 1 制作工艺 光刻技术。1 ：光刻胶包含有光敏材料，涂覆在衬底上，通过掩模曝 光产生与掩模相同的图形。有两类通常用的光刻胶嘲：正胶和负胶。负 性光刻胶又称负性抗蚀剂，它经过曝光后发生聚合作用，使已感光的部 分在显影液中不能溶解，而未感光的部分能溶于显影液中，就是说被紫 外线曝光的部分留下来。正性光刻胶也称正性抗蚀剂，与负性抗蚀剂相 反，它经过曝光后由于发生光解作用，使已感光的部分能溶于显影液中， 而未感光的部分不溶于显影液，就是说留下来的是未感光的。而在本论 文的实验中我们是采用正性光刻胶。 典型的光刻步骤如下： 涂胶：最广泛的是用滴胶头控制涂胶量，芯片是用真空泵固定在一 旋转台上，旋转进行甩胶，使胶均匀的分布在样片上。 烘干( 前烘) ：通常以8 0 1 0 0 。c 烘大约3 0 m i n 。 曝光：以所需的掩模图形版放在衬底之上，以紫外灯曝光l m i n 。 光刻胶显影：大多数光刻胶制造者会介绍和供给合适的显影剂。 对于负性胶，显影剂通常与一般的碳氢化合物溶剂相混合，而正性胶则 用碱的稀溶剂，时间3 m i n 左右。 显影后焙烘( 后烘) ：也称坚膜，典型时间为3 0 m i n ，温度为1 0 0 1 5 0 0 c 。 这样光刻过后我们所需要的图形就被转移到了样片上。 腐蚀。“：在显影后将所需要的图形通过腐蚀转移到样片上，腐蚀的 条件由光刻胶的类型、焙烘的时间和厚度、制造结构的要求所决定。 而腐蚀的关键在于腐蚀液的选择，配比和腐蚀的温度。在本论文实验中 的腐蚀过程我们将在下节中来详细讲述。 绝缘层制备：在腐蚀过后我们将进行绝缘层的制备。绝缘薄膜在光 电器件中主要用于局部电流阻挡、有选择地形成电流通道，目前主要有 三种制备方法：化学气相沉积；射频溅射；电子束蒸发。在本论文实验 中我们采用先阳极氧化后再溅射二氧化硅绝缘层的方法来实现环形谐 振腔激光器的绝缘层，因为在深腐蚀窄脊形结构后，单独溅射二氧化硅 绝缘层可能会因为某些区域未能溅射上二氧化硅而产生漏电现象。所以 我们利用阳极氧化的方法使芯片自身产生氧化层，这样就可以完全避免 漏电现象的发生。阳极氧化的详细内容我们将在第三节来讲述。 去胶( 1 i f t - o f f ) ：将光刻胶和胶上面的绝缘层去掉，而没光刻胶 地方的绝缘层将会留下。去胶的过程是为了在绝缘层上打开电流注入的 窗口以实现激光器芯片的电注入。去除光刻胶的难易程度与显影后焙烘 得条件密切相关，通常是将芯片浸泡在溶剂中除去。 欧姆接触电极。：半导体激光器有效，可靠工作的基本条件之一是 低阻欧姆接触电极，该接触层要足够厚以提供合适的引线键合压点和接 触材料之间最小的压降。 用于欧姆接触的金属( 合金) 种类很多，p 型半导体通常使用z n - a u 、 i n a u 、t i p t a u 、t i - a g a u 等，n 型半导体通常使用a u g e n i 等。当 电极金属中含有施主或受主杂质元素时，在半导体上形成电极层后进行 合金化，可得到低阻界面，从而使接触电阻降低。 制作欧姆接触电极，先在芯片表面上用真空蒸发、溅射、电镀等方 法沉积一层选好的欧姆接触材料，然后在一定温度下进行合金。 后工艺。”：半导体激光器的后工艺包括烧焊、键合、耦合和封装。 烧焊：将检测合格的管芯用焊料烧结在热沉上。热沉材料应该是 良导热体，与管芯的热膨胀系数尽量接近，以减小管芯与热沉之间由于 热膨胀系数不同而产生的微裂痕，不产生污染，加工容易。烧焊的方法 有真空烧焊和成形气体保护烧焊两种，主要根据焊料的性质及工艺来选 择。焊料主要有纯i n 、纯s n 、a u s n 或a u g e 易熔合金，烧焊时既要 保持粘结牢固，粘润要均匀，但所用焊料又不能太多，温度不能太高， 以防止焊料溢出底面破坏解理面，甚至污染有源区。 键合：键合是将金丝或金箔带用超声焊或热压焊，将电极连接在 管芯上，以作电流注入的引线。焊点要牢固，但不能加压太大，否则在 管芯内会产生微损伤。 光纤耦合：在很多应用中要求半导体激光器的封装是带光纤输出 的。但是半导体激光器的光束发散角大，而且在平行和垂直的方向不对 称，光束的截面是椭圆形的，因此它与光纤祸合就比较困难。为了提高 耦合效率，有效的办法是将光纤端头做成球透镜或圆锥形再进行耦合。 封装：封装用管壳的种类很多，但主要有双列插式和同轴型两种。 结构上由光纤输出和光窗两种。为了提高可靠性，封装应是全金属化的， 密封不透气的。某些情况下，管壳内还装有温控、光控传感器及半导体 致冷器，有些还装有驱动电路，这些都视具体要求而定。 3 2 各向同性腐蚀液的选择 湿法腐蚀工艺技术是化合物半导体器件制作中的一种重要工艺技 2 1 术；它是在具有高选择比掩蔽膜的保护下对介质膜或半导体材料进行腐 蚀而得到所需图案的技术。湿法腐蚀具有各向同性腐蚀与各向异性腐蚀 之分。“，还有选择性腐蚀与非选择性腐蚀之分。我们的湿法腐蚀工艺主 要针对g a a s 、a 1 g a a s 基化合物半导体材料的腐蚀。湿法化学腐蚀的机 理涉及三个基本阶段1 ：( 1 ) 反应剂输送到反应表面：( 2 ) 在表面发生 化学反应：( 3 ) 反应物输运离开表面。半导体材料的湿法腐蚀通常是先 进行氧化反应，接着是溶解氧化物的化学反应。对g a h s 来说，当我们 使用且尸a ，ed ，且d 的混合物时其反应如下： 镓砷氧化过程： 2 皿d 2 鱼_ 2 皿d + 2 0 2 g a a s + 6 【d 】 g 吒d 3 + 加2 d 3 氧化物溶解过程： g 吒q + 2 羁p d 4 2 g 卯d 4 + 3 h 2 0 彳屯d 3 + 2 只p 0 4 2 a s p 0 4 + 3 皿o ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 镓砷的总腐蚀反应： 2 g a a s + 4 h 3 p d 4 + 6 【d 】寸2 g a p d 4 + 2 a s p q + 6 1 1 2 0 ( 3 5 ) 同时腐蚀液的温度高低和搅动将影响腐蚀速率。湿法腐蚀具有省 时、省力、易操作等优点；与反应离子刻蚀相比，腐蚀时不会引入损伤 层，因此在g a a s 功率器件的制备中选择湿法腐蚀已成为栅挖槽工艺的 主要方法。 各向同性腐蚀o ”：腐蚀剂对半导体的各个晶面都有相同的腐蚀速 率。半导体材料的湿法化学腐蚀通常是先进行氧化反应，接着是溶解氧 化物的化学反应。已经研究了用于砷化镓的各种各样的腐蚀剂，但他们 中没有几个是真正的各向同性的。这是因为( 1 1 1 ) g a 面与( 1 1 1 ) a s 面的 表面活性差异很大。 各向异性腐蚀o “：有一些腐蚀剂对半导体某一晶面的腐蚀速率比其 它晶面快的多，这就是各向异性腐蚀。砷化镓的各向异性腐蚀，( 1 1 1 ) 镓面腐蚀速率通常很慢，( 1 1 1 ) 砷面的腐蚀速率很快。因此，当掩蔽层 的窗口边缘取 方向时，腐蚀剖面在一个方向呈梯形，在另一个方 向呈燕尾形。若是掩蔽层窗口边缘偏离 方向4 5 度，则可得到侧壁 垂直的槽。 制作脊形环形谐振腔过程中，如果各个晶向的腐蚀速率不同，就会 造成在晶向交接处会出现菱形结构，这样就会造成不均匀弯曲的环形波 导结构，而光波在这样的波导内传播时弯曲损耗就会很大。因此我们必 须要寻找一种适用于此种环形腔结构制作的各向同性腐蚀液来腐蚀出 一个均匀弯曲的环形谐振腔，从而保证器件获得更低的阈值。国内外已 经报道3 的多种用于g a a s a 1 g a a s 基材料的腐蚀液如表3 1 所示；在环 形谐振腔脊形波导腐蚀中各向同性腐蚀液腐蚀效果图如3 1 所示；而各 向异性腐蚀液腐蚀出的效果图如3 2 所示： 表3 - 1g a a s a i g a a s 基材料的湿法腐蚀液 腐蚀材料腐蚀液组成腐蚀液比例 温度( o c )腐蚀速率 g a a s h c l ：h 1 0 3 ：i h o ( 5 ix ：i ：l x o o ) 2 5 3 0 2 5 0 蛐i i l g a a sn h 4 0 h ：0 2 ：o2 ：1 ：2 02 05 0 0 n m r r i i n g a a si - h s 0 4 ： - h 0 2 ：i - h o5 ：1 ：l2 01 4 0 0 i x t i l m i n g a a sn h 4 0 h ：h 2 0 2 ：i - h o1 ：4 ：2 02 51 8 0 0 n m m i n a l g a a sn h 4 0 h ：h 2 0 2 ：f h 03 ：l ：1 3 02 53 0 0 n m m i n a i g a a s a c i d ：c h 2 i t 0 2 r i c ：o 4 ：1 ：12 54 0 0 1 1 1 1 1 ，m i n 图3 1 环形腔腐蚀后形貌图图3 2 环形腔腐蚀电镜扫描图 针对g a a s a i g a a s 材料体系，我们必须找到对g a a s 和a 1 g a a s 没 有选择性的腐蚀液，经过多次实验我们选定h ，p 0 4 ，h ：0 ：，h 。0 ，腐蚀液，它 对g a a s 和a g a a s 都有很好的腐蚀性。国内外资料中介绍的环形谐振 腔脊形高度大都在0 9 2 哪之间，这就要求我们配置的腐蚀液能腐蚀 出理想脊形结构的同时腐蚀速率在0 9 2 p m 内是可控的。实验中我们 发现腐蚀液中的h 2 0 2 的氧化性对腐蚀速率的影响很大，所以腐蚀液的比 例是影响腐蚀速率的主要因素，当h ：0 ：比例过大时腐蚀速度过快环形谐 振腔波导结构的侧壁将会腐蚀的不均匀而变的十分不光滑，其效果图如 3 3 所示：我们发现当h 。p 吼：h ：0 ：h 2 0 为1 0 ；1 ：1 时腐蚀液具有很好的 各向同性腐蚀性，并且腐蚀液对g a a s 和a i g a a s 的腐蚀速率十分接近， 在水域5 0 。c ，搅拌条件下环形谐振腔波导结构的侧壁会变的更加光滑， 我们在电子扫描显微镜下观测的波导侧壁如图3 4 所示： 图3 3 为h ：0 ：比例过大时腐蚀的形貌图图3 4 扫描电镜下的形貌图 以下则为温度5 0 。c 条件下，搅动腐蚀液，不同比例的腐蚀液的腐 蚀速率。图3 5 是对g a a s 的腐蚀速率。图3 6 是对a i g a a s 的腐蚀速率。 从图中我们可以看到，当腐蚀液的比例为1 0 = l ：1 时，在高温水域搅 动下，腐蚀速度非常理想。且腐蚀液对g a a s 和a i g a a s 的腐蚀速率基 本相同，这对我们腐蚀环形腔激光器芯片是非常有利的，它可以增加环 形腔侧壁的光滑度，可以降低由于波导内光场分布靠向波导外壁而带来 的大量散射损耗，从而会降低环形谐振腔半导体激光器的阈值电流。 e t c h i n gt i me ( s ) 图3 5 不同比例下的腐蚀液对g a a s 的腐蚀速率 8 5 4 3 2 1 0 一etfc_o口dcco_ 1 02 03 04 05 06 0 e t c h i n gt i m e ( s ) 图3 , 6 不同比例下的腐蚀液对a 1 g a a s 的腐蚀速率 测试结果：实验证实，当腐蚀液中h 。p 0 4 ：h ：0 。：h 。0 比例为1 0 ：1 ：1 时， 腐蚀液对g a a s a i g a a s 体系材料具有很好的各向同性腐蚀特性，并且 具有稳定的腐蚀速率，可以腐蚀出均匀弯曲并且具有光滑侧壁的环形谐 振腔的波导结构。此种腐蚀液不仅适台制作环形谐振腔半导体激光器， 还可以应用到单片集成光电路中的各种环形结构的制作，以及制作 g a a s a t g a a s