（微电子学与固体电子学专业论文）微环激光器的设计与测量.pdf

摘要 本文采用i n p 基i n a i g a a s 多量子阱激光器外延材料结构，利用感应耦合等 离子体( i c p ) 干法刻蚀技术和聚酰亚胺介质平坦化工艺，研制了多量子阱半导 体环形激光器样品。微环谐振器在光通信方面具有广泛的应用。由于微环谐振器 的谐振不需要腔面或光栅来提供光反馈，因此十分有利于和其他光电子元器件的 单片集成。研制此类器件的目的在于利用该器件的光学双稳态特性，通过多环甚 至环形阵列等结构来实现全光存储。首先通过计算器件参数，设计出多种合理的 环波导与直波导尺寸及耦合距离；再利用干法刻蚀等半导体工艺技术加工出成 品。在测试过程中，通过向环形结构谐振腔加正电压以实现光激射，然后借助紧 邻的直线波导耦合将光信号输出。环形谐振腔在激射的过程中，受微环谐振方程 的限制，会自动将谐振频率选定在1 5 5 0 r i m 左右。在测试过程中，需考虑光纤与 直波导端口的耦合效率问题及器件的散热问题。用光纤与直线波导端口耦合测试 了环形激光器的光功率一电流特性曲线和激射光谱，得出当环形谐振腔直径为 7 0 01 tm ，波导宽度为31 ti t i 时，阈值电流为4 0 m a ，在注入电流1 2 0 m a 时从直波 导耦合输出得到激射光谱的中心波长为1 6 0 2 n m ，基本满足光通信的需要，为下 一步实现光逻辑和光存储的基本功能打下了良好的基础，并结合光功率一电流特 性曲线对环形激光器中的工作模式进行了初步分析。 关键词：多量子阱环形激光器波导双稳态 a b s t r a c t i n t h i sp a p e r ，w em a d es a m p l e so fm u l t i q u a n t u mw e l i ( m q w ) s e m i c o n d u c t o r m i c r o - r i n gl a s e r so nt h ei n p - b a s e di n a i g a a sm q we p i t a x i a lm a t e r i a lb yt h eu s eo f i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m a ( i c p ) d r ye t c h i n gt e c h n o l o g ya n dp l a n a r i z a t i o np r o c e s s u s i n gp o l y i m i d e m i c r o - r i n gr e s o n a t o r sh a saw i d er a n g eo fa p p l i c t i o ni no p t i c a l c o m m u n i c a t i o n a sm i c r o r i n gr e s o n a t o rd o e s n tn e e dt h er e s o n a n t - c a v i t ys u r f a c eo r t h eg r a t i n gt o p r o v i d eo p t i c a lf e e d b a c k , i ti sv e r yc o n d u c i v et oi n t e g r a t eo t h e r c o m p o n e n t s o ft h em o n o l i t h i c a l l y i n t e g r a t e do p t o e l e c t r o n i c s t h ep u r p o s eo f d e v e l o p i n gs u c hd e v i c e si s t ou s et h ec h a r a c t e r i s t i c so fo p t i c a l b i s t a b i l i t yi na m u l t i - r i n go rr i n g a r r a ys t r u c t u r et oa c h i e v ea l l o p t i c a ls t o r a g e f i r s tc a l c u l a t e dt h e p a r a m e t e r so ft h ed e v i c e sa n dt h e nd e s i g n e dr e s o n a b l ew i d t h sa n dc o u p l i n gd i s t a n c e s o ft h es t r a i g h ta n dr i n gw a v e g u i d e t h e nu s i n gs e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g ys u c ha sd r y e t c h i n gt op r o d u c es a m p l ed e v i d e s d u r i n gt h et e s t ，p o s i t i v ev o l m g ew a sg i v e nt ot h e r i n gr e s o n a t o ri no r d e rt oa c h i e v el i g h tl a s i n g ，a n dt h e nt h eo p t i c a ls i g n a lw a sc o u p l e d o u tf r o mt h es t r a i g h tw a v e g u i d ec l o s et ot h er i n gw a v e g u i d e d u r i n gt h el a s i n g p r o c e s s ，t h er i n gr e s o n a t o rw i l la u t o m a t i c a l l ys e l e c tt h er e s o n a n tf r e q u e n c ya r o u n d 15 5 0 n mb yt h er e s t r i c t i o no ft h em i c r o - r i n gr e s o n a t o re q u a t i o n i nt h ep r o c e s so ft h e t e s t i n g ，i ti sn e c e s s o r yt oc o n s i d e rt h ec o u p l i n ge f f i c i e n c yb e t w e e nt h ef i b e r - o p t i c w a v e g u i d ea n dt h ep o r to ft h es t r a i g h tw a v e g u i d ea n dt h et e m p e r a t u r es t a b i l i t yo ft h e d e v i c e t h eo p t i c a lp o w e r c u r r e n tc h a r a c t e r i s t i cc u r v ea n dt h el a s i n gs p e c t r aw e r e t e s t e db yc o u p l i n gt h ef i b e r - o p t i cp o r tt oas t r a i g h tw a v e g u i d e ，t h et h r e s h o l dc u r r e n ti s 4 0 m aa st h ed i a m e t e ro ft h er i n gr e s o n a t o ri s7 0 0 “ma n dt h ew i d t ho ft h ew a v e g u i d e i s3 岬w h e nt h ei n j e c t i o nc u r r e n ti s12 0 m a ，t h ec e n t e rw a v e l e n g t ho ft h el a s i n g s p e c t r u mi s 16 0 2 n mw h i c hw a sa l s ot e s t e df r o mt h eo u t p u to ft h es t r a i g h tw a v e g u i d e ， a n db a s i c a l l ym e e tt h en e e d so fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，a n dh a dl a i dag o o d f o u n d a t i o nt oa c h i e v es o m eb a s i cf u n c t i o n sf o rt h eo p t i c a l l o g i ca n do p t i c a l s t o r a g e a n dh a v ed o n es o m ep r e l i m i n a r ya n a l y s i sa b o u tt h ew o r km o d e lo ft h eo p t i c a l p o w e r - c u r r e n tc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo ft h er i n gl a s e r k e yw o r d s ：m q w , r i n g l a s e r , w a v e g u i d e ，o p t i c a lb i s t a b i l i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：你砻皱 签字日期： 2 呻年厂月3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗查堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：甲夺要毫 签字日期：2 吁年月3 同 导师签名：涨也少p 签字日期：h 厶，年历月弓 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 微环激光器的研究背景与现状 半导体环形激光器已经有2 0 多年的发展历程。第一个半导体环形激光器 ( s r l ) 诞生于1 9 8 0 年【1 】。加州大学的a s l i a o ，s w a n g 利用g a a s ( g a a l ) - r - 艺 实现了第一个带有波导耦合输出的真正意义上的半导体环形激光器。但早期的研 究均着眼于s r l 采用半导体工艺所带来的可集成性，主要将s r l 作为光集成技 术中的光源的解决方案进行了大量的研究，提出了一系列半导体环形激光器的结 构方案，包括圆形、三角形、方形等，并对半导体环形激光器的工作模式和输出 光的耦合进行了大量的工作。 近年来，利用半导体环形激光器中的非线性进行光信号处理开始引起了研究 人员的兴趣。半导体环形激光器可用于光学陀螺【2 j ，可用于高速光信号的时钟提 取等。但半导体环形激光器最吸引人之处在于其光学双稳态特性在光存储上的应 用前景。所谓“光学双稳态”是指一个输入光强存在着两个可以相互转换的稳定 输出光强状态。如图1 1 所示，当输入光强由弱变强时，输出光强开始增强到达 a 点，继而缓慢地增至b 点，然后输出光强突然很快增大至c 点；当输入光强 减弱时，输出光强开始缓慢地减弱到达d 点，继而突然很快下降到a 点。若设 法改变工作条件，还可以使回滞曲线压缩近似成一条线。具有这种特性的器件就 是光学双稳态器件，称为光晶体管，可以用作光放大器、光开关( 光阀) ，是光计 算机的核心器件。目前利用光学双稳态的方案主要有：利用半导体环形激光器的 振荡模式实现光学双稳态，以及利用垂直腔发射表面激光器( v c s e l ) 的偏振 双稳态【3 】 【4 】。 图1 1光学双稳态输入输出回滞曲线 第一章绪论 半导体环形激光器有两种振荡模式：顺时针模式( c w ) 和逆时针模式 ( c c w ) 。而在不同的工作条件下，半导体环形激光器工作于三种不同工作状态： 单向工作状态职向工作状态和交替振荡工作状态。利用输入光改变半导体环形 激光器的振荡模式，使其在顺时针模式( c w ) 和逆时针模式( c c w ) 之问切换， 就构成了一个光学双稳态结构，可以作为一个光存储单元。 对半导体环形激光器和半导体环形谐振腔中的光学双稳态现象的理论分析 可以追述到8 0 年代初期【5 心。最早对s i l l 的光学双稳态现象的研究主要是从理 论和实验上分析s r l 在驱动电流不同的情况下的工作状态的变化。利用注入光 控制实现s r l 中c w 与c c w 两种振荡间的切换以实行光学双稳态现象的实验 研究刘直到近年才开展起来。 美国马里兰大学的只h o 研究小组在2 0 0 2 年报道了他们在半导体环形谐 振腔实现了光控的光学双稳态现象。利用光控光学双稳态可以实现光开关光、解 复用、光存储等一系列光信号处理功能。但是该方案开关功率要求很高工作时 谐振腔能量密度高达8g w c m 2 。高开关功率又进一步限制了控制光的重复频率， 该实验中控制光频率仅为1 0 h z ，很难真正在高速光信号处理中应用叽 而荷兰c 0 b r a 研究所的hjsd o r r e n 研究小组在2 0 0 4 年1 1 月的n a t u r e 上咧报道了该小组利用i n p l n g a a s p 工艺实现的大小仅为1 8 x 4 0 u m 2 的基于双半 导体环形激光器结构的光存储单元，如圈1 - 2 所示。该方案利用a 、b 两个半导 体环形激光器相互锁模在c w 和c c w 两种激光振荡模式之问切换，从而实现一 个单比特的光存储单元。该方案是实现了开关速度为2 0 p s ，开关能量为55 0 的 高速低开关能量的光存储。但是严格来说该方案实现的是一个光触发器 ( f l i p - f l o p ) ，相比真正的光存储器还缺少读写控制和寻址功能。 圈1 2c o b r a 研究所的d o l t e n 研究小组利用l n p l n g a a s p 工艺实现的大小仅 为1 8 x 4 0 t t r t l 2 的基于职半导体环形激光器结构的光存储单元示意图( 曲) 英国b r i s t o l 大学余思远研究小组l q 和g l a s g o w 大学的m s o r e l 研究小组的对 半导体环形激光器中的模式竞争形成的光学双稳态的机理进行了理论分析和仿 第一章绪论 真。分析了半导体环形激光器环内顺时针模式( c w ) 和逆时针模式( c c w ) 两 种振荡模式间的线性和非线性作用，对单环半导体环形激光器构成的光学双稳态 结构的机理进行了大量的分析和研究工作。 美国的康奈尔大学的对三角形结构的半导体环形激光器中的光学双稳态进 行了实验研究。在实验中观察了半导体环形激光器在c w 和c c w 两种模式间的 切换现象i l 。 国内对半导体环形激光器及其在光存储中的应用才刚刚开始。国内目前有华 中科技大学的黄德修研究小组在自然科学基金项目“基于有源微环谐振腔的无损 光信息缓存”中进行了一些工作。 半导体激光器尺寸小，效率高，并且可以高速直接调制，它是光通信系统的 最重要的器件。激光器的光反射的方向性和光波质量都很好，使得光可以非常有 效的耦合到光纤中去( 特别是单模光纤) 。由于激光器的光谱很窄，减少了石英 光纤的本征色散的影响，因此，半导体激光器可以用于短距离多模光纤或长距离 单模光纤组成的高数码率系统。 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。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。半 导体激光器的环形谐振腔结构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能力很好。 2 0 世纪7 0 年代初实现了半导体激光器的室温、连续激射后，开创了半导体 激光器发展的新时期。目前它已经是光纤通信、光纤传感、光盘记录存储、光互 联、激光打印和印刷、激光分子光谱学以及固体激光泵浦、光纤放大器泵浦中不 可替代的重要光源。此外，在光学测量、机器人与自动控制、医疗、原子和分子 物理的基础研究等方面也有广泛应用。它已经是需要高效单色光源的光电子系统 中不可缺少的光学器件。 微环谐振器具有成本低、结构紧凑、集成度高、插入损耗小、串扰低等优点， 在光信号处理、滤波、波分复用、解复用、路由、波长变换、调制、开关、激光 等方面都具有广泛的应用。由于微环谐振器的谐振不需要腔面或光栅来提供光反 馈，因此十分有利于和其他光电子元器件的单片集成i l6 1 。 第一章绪论 1 2 微环激光器的发展历史 1 9 7 0 年，s c i f r e se ta l f 报道了在g a g a a i a s 单异质结材料中制作了具有四 个楔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 l l 2 】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 0pm 。1 9 7 7 年，日本电报电话公共公司的m a t s u 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 0l am 和2 3 0 l am 的圆环形和药片式结构都己经制造出 来【b 】，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。 19 8 6 年，英国b r i s t a l 大学和g l a s g o w 大学也成功研制出了性能稳定的环形 激光器。如图1 3 所示。并通过测试发现存在于环形激光器中的双稳态性能。此 项研究也正是本课题研究的出发点。 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 0p1 1 1 ，腐蚀深度 为0 8u1 1 1 ，脊宽为4l ai l l 的半环形谐振腔结构【l4 1 。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直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 1 11 7 1 ，铬和金合金作为欧 姆接触连接着由腐蚀掩膜形成的1 2l am 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1 0 l am 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 i 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。 4 第一章绪论 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，这样它可以产生根强的光引导和低损耗这样可以将曲 率半径降到1 0un l 以下。周长6 0pr a 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渡峰将偏向腐蚀脊形波导的外侧 壁，所以这个区域的光强度非常高，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程有必要的。这种激光器具有低的阚值电 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 艺还适用于在弼一村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 通过改变量子阱的掺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。 图1 - 31 9 8 6 ( 左) 、1 9 9 6 ( 右) 年英国b d s t a l 大学试制的环形激光器 1 3 微环激光器的种类 影响微环激光器性能的参数很多。包括谐振腔的形状和结构、波导宽度、耦 台距离、衬底材料和工艺精度等。不同的参数往往导致不同的激光器种类。因此 微环激光器的种类繁多，分类方法也不止一种。 1 、按照微环谐振腔的形状对微环激光器进行分类 a 圆环形谐振腔 谐振腔的基本结构如图1 4 所示，硅基微环檄光器的环形部分为脊宽4 5 0 r i m 的圆形环，与一根直线光波导进行光耦台。外部光源从直波导的一端输入，从另 一端输出。一部分光以耦合方式进入圃环波导，并在外加电压的作用下放大。 第一章绪论 图1 4 圆环形微环激光器顶视图及横截面示意图肿】 b 跑道形谐振腔 图1 - 5 跑道形微环波导示意图 谐振腔的基本结构如崮1 5 所示两端分别为半径为r 的两个半圆，中间部 分为长l 的直线波导，并分别与两根直波导进行耦合。这种形状的好处在于环 与直线渡导的耦合区较长。 c 三角形谐振腔 图1 - 6 三角形环波导显微照片】 镕一章肇论 谐振腔的基本结构如图1 - 6 化台物三角环形滤波器角处反射镜全反射，边 处直线传播，无曲率损耗。反射镜用腐蚀坑形成。位于照片项部的两个顶点处分 别放置了一个全反射镜面( t 1 r ) 光线在波导内传播，在拐角处被反射镜反射 入另一条波导。最后在位于照片底部的顶点处耦合输出。 d 矩形谐振腔 图1 8 盘形微环激光器 如图1 8 为一有源的环形激光器。由于激光器必须在环的内外加电极，内部 电极与环部分相连形成圆盘。p d l 、p d 2 、p d 是三个光电挢测器，用于检测输出 光。这种结构有助于提高耦合效率，缺点在于圆盘内存在许多半径不同的圆环， 第一绪论 无法进行波长选择，其他形状的激光器如图i - 9 等 图i - 9 2 0 0 5 年新墨西哥大学s - 跑道形多量子阱激光器 2 、按照耦台直线被导的数目对微环激光器进行分类 可以分为单根直线( 或弧状) 光波导与环耦台及硬根直线光波导与习= 耦台。 3 、按照材料结构对微环激光器进行分类 ( 1 ) 化台物材料体系 ag a a s 基材料体系 咀g a a s 为衬底包层为a i g a a s ，势阱有源区为l n g a a s 或g a a s bl n p 基材料体系 以l n p 为树底，包层为l n p ，有源区为i n g a a s p ，般为5 6 个量子阱。m r l 发光波长为】5 5 pm 为光通信窗口波长( 本项目采用) ( 2 ) 硅基材料体系 a s o l 材料体系做光被导，作环形谐振腔，不能做m r l 。 b 非晶硅( a s 1 ) 微晶硅( u - s i ) ，多晶硅( p o l y s 1 ) 材料虽然传输的损 耗较s 0 1 大。但有p e c v d 设备时，可以自己随心所教的去生长材料，灵活性大。 当环减小，光路减小后，光损耗相应的减小。 1 4 微环激光器的应用前景 1 4 1 全光存储 目前为止，用于实现光存储主要是光缓存方案，即利用光纤延迟线和“慢光” 实行光信号的延时存储。光纤延迟线方案仍旧是目前实现光延时的主要方案。利 用开关矩阵选择不同时延的光纤延迟线的不同组合可以实现尉光信号的不同延 时。光纤延迟线也可以做成环形结构，通过控制光信号在光纤环中的传输的豳数 来控制光信号的时延。这样的方案有很多，例如英国b r i s t o 大学的余思远研究小 * 一镕 组利用该小组设计的开关矩阵c r o s s p o l m 进行了光缓存的研究。但是利用光纤延 迟线的组合不可能实现时延的连续可调节，不可能实现光时延的精确调节田j 口”。 而“慢光”方案则通过改变光信号在介质中的传输速度来实现光信号的缓存 扶而可以连续调节光信号在延时介质中的延迟时闯和存储容量。“慢光”方案又可 以分为两丈类，一种是利用材料本身的一些特性，1 9 9 9 年的n a t u r e 上报道了利 用光学的方法在超冷原于蒸汽中将光速减慢到1 7 m s 。此后利用如电磁致透明 口1 “i 、相干粒子振荡1 瑚、谱烧孔效应等实现慢光。另一种是利用受激拉曼散射 i 3 2 】、受激布里渊散射、拉曼辅助的参量放大过程等效应在光纤、光予晶体、 半导体光放大器中实现。这种“慢光”方案实际上是个全通滤波器，利用非线性 效应中的大的群延时实现可调节的光信号时延。 一种变通的方案是光子r a m 方案，在e c o c 2 0 0 4 和a p o c 2 0 0 5 的会议上， n r r 的工n a k a h a r a 等人报道了一种光子r a m 的实验刚，如图1 1 0 所示。该方 案的思想在于采用新型的串并转换技术将高速率的线路信号变成低速率的并行 信号，这样信号就可以采用现有的电r a m 进行随机存储和数据处理。但这种方 案实际上的存储介质仍然是电存储器，而且该方案在高速率的串并、并，串转换 上也还存在很人问题，报难实用化。 雩雾 薯嚣影萨” 霜鼋一。z=zzd 图1 1 0 光子分组交换结构示意图 另一种可行的思路是寻找新型的光学职稳态器件，目前利用光学双稳态的方 案主要有：利用半导体环形激光器的振荡模式实现光学取稳态以及利用垂直腔 发射表面激光器( v c s e l ) 的偏振职稳态p ”。 1 4 2 全先逻辑 全光逻辑( a l l - o p t i c a ll o g i c ) 是光信号处理的叉一关键技术，研究者利用 半导体光放大器( s o a ) 0 4 h 期、非线性波导器件1 1 3 9 1 、非线性光纤i “i ，h ”、微 环形谐振腔( m i c r o r i n gr e s o n a t o r ) 1 4 2 1 1 4 3 增作为核心器件以完成光逻辑的系统实 现其中，近一年来具有代表性的工作包括：雅典大学ds y v r i d i s 的小组利用微环 形谐振腔中的四波混频效应完成了4 0 g b s 、p , z ，n r z 码的全光“与”逻辑。爱因 霍温科技大学hjs d o r r e n 领导的小组他们与c ip 公司合作将s o a 与 m a c h - z e h n d e r 干涉仪结构集成到一块芯片上，实现了全光触发器( 如图】- i i ) ， 并利用该技术完成了4 0 g b s 的全光3 r 、波长路由等子系统，取得了很好的实验 效果。 甄 图1 1 1 集成s o a 与m a c h z e h n d e r 干涉仪结构的光触发装置，( a ) s c h e m a t i eo f f l i p f l o p ( b ) p l a n a rs i l i c am o t h e r b o a r d ( c ) d a u g h t e r b o a r dw i t ht w i ns o a sf l i p p e d c h i p p e da n dw i r e b o n d e d ( d ) p a c k a g e da n dp i g t a i l e dp r o t o t y p e ：鹭：壁 一 b 1 邛叮1 1 _ r 口丌 ， e i le o o o i o ! 一，一一 i1 0 0 “”h 。i 。| 三：鬣。 0 1 0 1 10 1000 1 s l i m 。u 。o li 图l 一1 2 基于p p l n 的全光h a l f - a d d e r ( a ) j 星辑示意图( b ) 系统组成( c ) 实验波形 坦福大学的m mf e j e r 领导的小组利用周期性极化铌酸锂晶体( p p l n ) 为 核心器件，并结合s o a 完成了全光5 g b s 的h a l f - a d d e r ( 如图1 1 2 ) 实验证明 掌 第一章绪论 由于p p l n 能够简单的实现“与”运算，并能为下一级s o a 提供高质量、低噪声 的信号，所以非常适合构建这种复杂的光逻辑。 正如前面提到的，以光存储、光开关为代表的全光高速信号处理技术是目前 光网络中急待解决的基础技术问题。而且成功地解决这些问题也将为未来“光子 时代”的到来带来了曙光，这在技术上具有划时代的意义。正是基于这种认识， 世界各国均开展了大量的研究工作，就目前的情况来看，光存储技术近年来在器 件原理上上已有突破，现在急待解决的是如何解决随机写入读取技术，并尽快 拿出原理性样片( 机) ，以迸一步验证光存储器件；光逻辑方面，现在的试验报 道采用的非线性材料来讲可分为非线性波导材料、光纤或半导体( s o a ) 等。但 从将来的集成化的要求出发，半导体材料应该是一种正确的选择。从功能实现上 看，现在的试验报道绝大多数集中在基本的逻辑单元上，下一步主要需要解决的 问题是组合逻辑，即多个逻辑门级联完成较为复杂的逻辑功能，这需要进一步降 低系统复杂性、解决多级级联后信号恶化等关键问题；3 r 全光再生技术方面， 多波长应该是一个重要的发展方向，但难度较大，目前国际上还没有成熟的方案。 速率方面，国际上仍然以4 0 g b i t s 为主，从长远来看，更高的速率在技术难度、 成本方面与现有大容量技术( w d m ) 比较没有优势。所以，虽然尽管有关于更 高的速率的实验报道，但其发展前景仍然不明朗。 1 4 3 本文研究的主要内容 本文设计了一种带直波导耦合输出的l n a i g a a s 多量子阱半导体环形激光器 结构，在激光器环形谐振腔上加电流并通过相邻直波导耦合输出到光纤成功观测 了光的激射和环形激光器的双稳态工作模式，并测量了器件的激射光谱。 1 、根据环形激光器的特性公式，计算出能够实现双稳态功能的器件参数； 2 、用l e d i t 绘制激光器版图，在器件版图中设计了一系列不同形状，不同 周长的环形谐振腔； 3 、寻找谐振波长在1 5 5 0 n m 附近的多量子阱衬底材料，并利用感应耦合等 离子体( i c p ) 干法刻蚀技术和聚酰亚胺介质平坦化工艺，实现多量子阱半导体 环形激光器样品； 4 、测试设备如光纤和散热设备的设计与使用。 第二章微环激光器的工作原理 第二章微环激光器的工作原理 2 1 半导体激光器的基本理论 2 1 1 半导体激光器工作的三个基本条件 l 、粒子数反转 原子的两个能级e 1e 2 e 1 是基态，e 2 是激发态，电子在这两个能级间的跃 迁必定伴随着吸收或发射光子。 而对于半导体激光器，激光的产生源于光子的受激辐射即在光辐射的刺激 下，受激原子从激发态向基态跃迁，并辐射特定能量的光子。 但是当有光子注入时，处于基态的原子也会吸收光子进入激发态。因此光的 吸收和受激辐射同时存在、并且几率相等。只有当处在激发态的原子数大于处在 基态的原子数时，受激辐射才能超过光吸收。 由于一般情况下，处在激发态的原子数少于处在基态的原子数，要产生激光， 需要把这种状态反转过来，即“粒子数反转”，如图2 1 所示。 、 擞笈客 j i 。k 卜r 广 6e f 纂叁 军- f 。1 一，、 图2 1粒子束反转示意图 2 、电流阈值条件 要实现粒子数反转，必须由外界输入能量，使电子不断激发到高能级。常用 的注入式泵源是利用正向电流输入能量。受激辐射随着注入电流的增大而逐渐发 展，并逐渐集中到p - n 结平面内，最后趋于压倒优势。这时辐射的光子能量相同， 故单色性较好，强度也较大，光增益大于光损耗。此时的注入电流称为阂值电流。 1 2 # = 微g 擞 # 的i 镕4 但其位相是杂乱的，因为还不是相干光。 3 、谐振腔 要使受激辐射达到发射激光的要求，即选到强度更大的单色相干光，还必须 依靠谐振腔的作用。谐振腔是激光器中垂直于结面的两个严格平行的解理面形成 的反射镜面。 一定频率的受激辐射，在反射面间来回反射，形成两列相反方向传播的波相 叠加，最后在谐振腔内形成驻波，只有满足特定波长的辐射光才能在谐振腔内形 成振荡。 最常见的是法布里珀罗( f - p ) 谐振腔，f p 腔半导体激光器的管芯结构如图 2 - 2 所示。是一个x , y z 三个方向上尺寸分别为1 0 0p m ，3 0 0 u m ，4 0 0u m 的长 方形微粒。在x 方向上核心部分是雌有源层为中心、两侧有限制层的双异质结 三层平面的波导结构。它们的下面是衬底和欧姆接触电极，上面是包层、帽层和 上欧姆接触电极。 圈删灿 圈扎c 图2 - 2f p 腔条形结构双异质结激光器管芯结构图 2 1 2 量子阱及应变量子阱材料 2 0 世纪7 0 年代的取异质结激光器、8 0 年代的量子阱激光器和9 0 年代出现 的应变量子阱激光器是半导体激光器发展过程中的三个里程碑。制作量子阱结构 需要用超薄层的薄膜生长技术，如分子外延术( m b e ) 、金属有机化台物化学气 相淀积( m o c v d ) 、化学束外延( c b e ) 和原子束外延等。我国早在1 9 7 4 年就 开始设计和制造分子束外延( m b e ) 设备，而直到1 9 8 6 年才成功的制造出多量 第二章微环激光器的工作原理 子阱激光器，在1 9 9 2 年中科院半导体所( i s c a s ) 使用国产的m b e 设备制成 的g r i n s c hi n g a a s g a a s 应变多量子阱激光器室温下阈值电流为1 5 5 m a ，连 续输出功率大于3 0 m w ，输出波长为1 0 2 6 n m l 5 3 】。 量子阱特别是应变量子阱材料的引入减少了载流子的一个自由度，改变了k 空间的能带结构，极大的提高了半导体激光器的性能，使垂直腔表面发射激光器 成为现实，使近几年取得突破的g a n 蓝绿光激光器成为新的研究热点和新的经 济增长点，并将使半导体激光器成为光子集成( p i c ) 和光电子集成( o e i c ) 的 核心器件。 减少载流子一个自由度的量子阱已经使半导体激光器受益匪浅，再减少一个 自由度的所谓量子线( q l ) 以及在三维都使电子受限的所谓量子点( q d ) 将会 使半导体激光器的性能发生更大的改善，这已经受到了许多科学家的关注，成为 半导体材料的前沿课题。 通过现代外延生长技术( 如m b e 或m o c v d ) 把两种或两种以上组份不同或 是导电类型各异的超薄层材料交替生长形成人工周期结构材料，常把这种材料称 之为超晶格材料。超品格材料可以是组分超晶格，也可以是应变超晶格或掺杂超 品格。把这样的材料结构作为激光器的有源层，便构成量子阱( q w ) 激光器。具 有量子阱结构的材料，其能带结构、载流子有效质量、载流子运动性质会呈现出 新的效应，这就是量子效应。相应的势阱称之为量子阱。把只有一个势阱的结构， 称之为单量子阱( s q w ) ，把有多个势阱的结构称之为多量子阱( m q w ) ，图2 - 3 示 出q w - l d 的结构示意图。这样的激光器具有一系列优点：极低的阈值电流( i t h ) ： 窄的光谱线宽，高的特征温度( t o ) ；高的量子效率和较大的输出光功率；高的调 制速率和小的频率响应。因此，目前高性能d f b l d 和d b r l d ( 内含布拉格光 栅的l d ) 的有源区都采用q w 结构。 在制作超晶格材料中发现，当多层薄膜的厚度十分地薄时，在晶体外延生长 时反而不会产生位错，这是因为在超薄膜中，晶体本身发生应变，消除了缺陷的 产生。因此，只要在弹性形变限度之内，巧妙地应用这个性质，可以在晶格常数 相差很大的材料之间制作出应变超晶格，从而使超晶格材料选择的自由度大大地 放宽，不同原材料的超晶格不断涌现。利用这种应变的超品格制作应变的q w 结 构，可以实现禁带宽度从0 3 6 e v 到1 4 3 e v 的连续可调，故可以开发出红外的发 光和受光材料。因此，应变超晶格薄膜生长技术是应变制作的关键。此外，利用 超微细加工和生长技术，还可制作出低维的超晶格量子线和量子点激光器。应变 自组装量子点结构生长技术是目前制作量子点激光器最有效的生长方法。 1 4 第二章微环激光器的工作原理 阱 图2 - 3q w l d 的示意结构图5 5 】 量子阱和应变量子阱半导体激光器的基本原理： 1 、半导体超晶格 半导体超晶格是指由交替生长两种半导体材料薄层组成的一维周期性结构， 薄层的厚度与半导体中电子的德布罗意波长( 约为1 0 n m ) 或电子平均自由程( 约 为5 0 n m ) 有相同量级。这种思想是在1 9 6 8 年b e l l 实验室的江崎( e s a k i ) 和朱 肇祥首先提出的，并于1 9 7 0 年首次在g a a s 半导体上制成了超晶格结构。江崎 等人把超晶格分为两类：成分超晶格和掺杂超晶格。理想超晶格的空间结构及两 种材料的能带分布分别! z l ：l - 图2 4 理想超晶格的空间结构 z 图2 5 理想超晶格两种材料的能带分布 2 、量子阱及量子阱材料的能带结构 由于两种材料的禁带宽度不同而引起的沿薄层交替生长方向( z 方向) 的附 加周期势分布中的势阱称为量子阱。量子阱中电子与块状晶体中电子具有完全不 第二章微环激光器的工作原理 同的性质，即表现出量子尺寸效应，量子阱阱壁能起到有效的限制作用，使阱中 的载流子失去了垂直于阱壁方向( z 方向) 的自由度，只在平行于阱壁平面( x y 面) 内有两个自由度，故常称此量子系统为二维电子气。 量子阱中电子的运动服从薛定谔方程。 在x y 平面内，电子不受附加周期势的作用，与体材料中电子的运动规律相 同，相应的能量k = 壳2 ( + k ；) ( 2 m * ) ，其中t 、七，分别为电子在x 和y 方向 上的波矢，m + ，是电子x y 平面上的有效质量。在z 方向上，电子受到阱壁的限 制，能量是量子化的，只能取一些分立的值，即e = eo c 刀2 ( n ：= l ，2 ，3 ，) 。 所以，电子的总能量e 为：e = e + e 即由于e 。的作用，相当于把能级 e 展宽为能带，称为子能带。即材料能带沿红方向分裂为许多子能带，导带子 能带仍是抛物线型分布，价带中子能带却与抛物线型相差很多，这是由于价带中 轻重空穴带混合( m i x i n g ) 所致( 如图2 - 6 ( a ) ) 。而且态密度呈现阶梯状分布，同 一子能带内态密度为常数。量子阱中能带分裂为子能带( n = 1 , 2 ) ，e g - b 与e g q 为分裂前后禁带宽度，且e g - b e g b ，量子阱激光器的输出波长通常要小于同质的体材料激光 器。 ( 4 ) 在导带中子能带沿七，的分布仍是抛物线型，而在价带中却远非如此，这 是由于重空穴带和轻空穴带混合( m i x i n g ) 并相互作用所致，这使得价带的能态 密度分布并不象右图所示的那样呈现阶梯状，而是使价带的能态密度增大，加剧 了价带和导带能态密度的不对称，提高了阈值电流，降低了微分增益，从而使激 光器的性能变差，这种情况要靠后面要提的应变量子阱来改善。 3 、单量子阱( s q w ) 和多量子阱( m q w ) 激光器中对光子的限制 在量子阱激光器中，由于有源层厚度很小，若不采取措施，会有很大一部分 光渗出。 对s q w 采取的办法是采用如图2 - 7 ( a ) 所示。分别限制( s e p a r a t e dc o n f i n e m e n t h e t e r o j u n c t i o n ) 结构，在阱层两侧配备低折射率的光限制层( 即波导层) 。该层 的折射率分布可以是突变的( 如图2 - 7 ( b ) 左图所示) 也可以是渐变的( 如图2 - 7 ( b ) 右图) ，分别对应波导层带隙的突变和渐变) 。 厚 度 折射率 图2 - 7 ( a ) 单量子阱激光器的禁带宽度分布( b ) 分别限制单量子阱激光器 ( s c h - s q w ) 的折射率分布，左边是阶梯型( s t e pi n