寄生参数对半导体激光器直接调制特性的影响.pdf

西安理工大学学报 J o u ma m o f X i a n U n iv e r s it y o f T e ch n o l o g y 2 0 1 1 V o 1 2 7 N o 3 2 9 5 文章编号 1 0 0 6 4 7 1 0 2 0 1 1 0 3 0 2 9 5 0 6 寄生参 数对 半导体激 光器 直接调制特性 的影 响 林 涛 林楠 马新 尖 郑凯 马晓宇 1 西安理2 12 大学 自动化与信息工程学院 陕西 西安 7 1 0 0 4 8 2 中国科学院半导体研究所 北京 1 0 0 0 8 3 摘要 通过理论推导和模拟计算 给 出激光 器调 制带宽和其它参数之 间的关 系 分析 了不 同张驰 振 荡频率 衰减系数和寄生参数下的调制特性 结果表明 当寄 生参数过 大时 激光器的 3 d B调制 带宽主要受寄生参数限制 因而只能在解决了寄生参数限制的前提 下 通过对器件的有源区和结构 进行优化才能获取 高的 3 d B调制带宽 对于制作的聚酰亚胺埋沟掩埋激光器和 A 1 G a l n A s 脊型波 导激光器其最大3 d B调制带宽分别为 5 G Hz 和 8 5 G Hz 定性地解释 了两类半导体激光器调制特 性 的测试 结 果 关键词 半导体激光器 调制特性 寄生参数 3 d B调制带宽 中图分类号 T N 3 6 5 文献标志码 A Effe c t s o f Pa r a s iti c Pa r a me t e r s o n t he M o du l a t io n Cha r a c t e r is t ics o f S e mico n du c t o r La s e r Dio d e s L I N T a o L I N N a n MA X in j ia n Z HE N G K a i MA X ia o y u 1 F a cu l t y of A u t o m a t io n a n d I n f o r m mi o n E n g in e e r i n g X i a n U n i v e rs it y o f T e ch n o l o gy X i a n 7 1 0 0 4 8 C h in a 2 I n s t i t u t e of S e m i co n d u ct o rs C h i n e s e A ca d e m y o f S ci e n ce s B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 C h i n a Ab s t r a ct r I 1he r e l a t io n s hip b e t we e n L D mo d u l a t io n ba n d wid t h s a n d o t h e r p a r a me t e r s is o bt a in e d t h r o u g h t h e o r e t i ca l d e d u cin g a n d nu me ri c s imu l a t i n g Mo d u l a t io n cha r a ct e ri s t ics u n d e r d i f f e r e n t r e l a x a t i o n o s ci l l a t i o n f r e qu e n cie s mt e n umio n co e ffici e n t s a nd p a r a s i t ic p a r a me t e rs a l e a n a l y z e d rI h e r e s u l t s s h o we d t h a t t h e 3 d B b a n d w id t h s o f L D s a r e j u s t co n fi n e d b y t h e p ara s it ic p ar a m e t e r s w h e n t h e e ff e ct s of t h e p a r a s it ic p a r a me t e rs a r e e x ce s s iv e S o t h e e ffe ct s mus t b e o v e r co me b e f o r e o p t imiz e t h e a ct iv e r e g io n a n d s t r u ct u r e of LDs t o r e ali z e h ig h s p e e d mo d u l a t io n T he me as u r e d ma x imum 3 dB ba n d wid t h s o f p l a n ar b u ri e d LDs wit h b u ri e d p o l y imid e do u bl e t r e n ch e s a n d A1 Ga I nAs ri d g e wa v e g u id e L D ar e 5 GHz a n d 8 5 GHz s e p a r a t e l y an d t h e mo d ul a t io n ch a r a ct e ri s t ics r e s u l t s o f t h e t wo t y p e s of LDs a r e a n a l y z e d q u a l i t a t i v e l y Ke y wo r d s s e mico n d u ct o r l a s e r di o d e mo d ul a t io n cha r a ct e ri s t ics pa r a s it ic para me t e r 3 d B mo d u l a t i o n b a n d wid t h 1 3 1 m 和 1 5 5 Ix m 波 段 的半 导 体激 光 器 L O 具有可直接调制 体积小 功耗小 效率 高 继 承性好 成本低等优点 是光信息传输领域的关键器 件 其调制特性制约着整个光传输系统 的性能 对 于一些短距离低成本 的应用领 域 直接调制式半 导 体激光器具有很大的市场前景 为了实现小型化 简 单化的低成本运营 国际上许多研究单位和大公司 都对直调式 高速激光 器进行 了研 究 截至 目 前 已报导的 I n G a A s P有源区激光器最高3 d B调制 带宽为 2 5 G H z J 对用 A l G a l n A s I n G a A s P应变补 偿 量子 阱有 源 区可 以得 到更 理 想 的结 果 报 导 的最 高调制带宽可达 3 0 G H z 5 4 1 我 国中科 院半 导体 所 曾研制出波长 1 5 i x m 3 d B调制带宽9 1 G Hz 的 l n G a A s P多量子 阱 自对准压缩 台面高 速 D F B激 光 器 7 3 根据理论计算 对于 I n P基半导体激光器 掺 杂有源区最高的调制带宽可达 6 0 9 0 G H z 应变 收稿 日期 2 0 1 1 0 6 0 7 基金 项 目 高等学校博士学科点 专项科研 基金 资助项 目 2 0 0 9 6 1 1 8 1 2 0 0 0 9 陕西省 教 育厅科 学研究 计划 基金 资助项 目 0 9 J K 6 3 0 作者简介 林涛 1 9 7 7 男 陕西西安人 副教授 研究方向为化合物半导体材料生长和光电子器件制作 E m a i l l h t l i n t a o 1 6 3 co n 2 9 6 西安理工大学学报 2 0 1 1 第 2 7卷第 3 期 补偿量 子 阱有 源 区 的 3 d B调 制 带 宽可 达 到 7 0 G H z 因此需要进行 系统性 的研究来促进研制 出 更高调制带宽的半导体激光器 尽管长波长激光器材料本身可以满足更高要求 的 3 d B调制带宽 而且理论上也得到 了证实 但 由 于寄生参数的影响 实际器件 的结果 尚不能令人完 全满意 因此本研究系统分析影响激光器调制特性 的各种因素 提出了实现高速激光器的主要途径 同 时通过不断的完善器件结构 改进外延生长和改善 制作工艺来提高 L D的高频特性 1 理论分析 半导体激光器的速率特性常用小信号调制时的 3 d B带宽来衡量 这一过程 可以用速率方程描述 和微波调制类似 激光器的调制也分为幅度调制和 位相调制 幅度调制过程分析简便 和实际情况比较 接近 一般常用来分析激光器 的调制特性 这里先 做以下假设 1 L D是一个 自稳定 系统 2 光子和载 流子均匀分布 3 单纵模工作 这样便可采用下面 的速率方程组来分析激光器的调制响应 l l d N 一J 一一 c g S一一N 1 df q d n 警 詈 g F A o S 譬 F 2 其中 为有 源区载流子密度 S是光子密度 q 是均匀激发情况下电子空穴对产生的速率 是载 流子 自发辐射寿命 F为振荡模式 的光子被 限制在 有源区的比率 即模式限制因子 为 自发辐射耦合 进激光模式的部分 即 自发发射因子 g F表示模式 增益 表示模式损耗 它包括了所有损耗 由于 目前的半导体激光器已经很少采用体材料 或是双异质结有源区 因此采用量子 阱有源区的增 益表达式 g 近似为对数关系 为 g g l I V 3 其中 g 为增益系数 为透明载流子浓度 将 3 式变形为g N g I n N I n N 后 代 人 1 式和 2 式 可得速率方程组为 d N 一旦 g 1 n N 一 s一 一NN l n N 4 一 g w 一 一一T 4 d S 詈 1n N I n N A I S N o F 5 稳态下 d S 0 dN 0 所以可得 J 一 1 n 一 l n N 5 一 No 0 6 音 1 一 1 A o lS 等 厂 0 7 小信号调制时可以得到 S S 0 A S 8 N N o A N 9 S A S为光 子密度 的稳态值 和涨落 幅度 A N为载流子密 度 的稳 态值 和涨落 幅度 并假 设 AS S 0 AN No 可以严格证明 A S A S e n 1 0 A N A N e y 1 1 将 1 0 1 1 两式代入上面的速率方程组 可 以得到 一 w 1 n 0 1 n N A S一 c gn S o 1 2 n v 0 下 等 C 1 v 0 1 一 c g nS o n F o 1 A N 1 3 利用稳态解便可以得到张弛振荡频率 和衰 减系数 的表达式 为 2 寺 一 D C 1 4 y B 1 5 其 中 詈 1 n N o In 一 A o C 一 gC 1 n 一I n 一 C g w S o 通常为了简单分析激光器的调制特性 一般不 考虑 自发发射对激射模式的贡献 则可对 1 4 式进 行简化 近似可将张弛振荡频率 表示为等价形式 即 一 一 一 兰 二 7 r p r p q 1 7 式中 r是载流子 自发辐射 寿命 是光子寿命 为光群速 S 为腔内光子密度 是模式限制因子 g 是微分增益 叼 i为内量子效率 为阈值以上的 偏置电流 林涛等 寄生参数对半导体激光器直接调制特性的影响 2 9 7 同样 1 4 式的衰减系数 y 也可近似表示为 y g Js 1 1 8 2 数值模拟 和结果讨论 限制 激光器调制带宽的因素主要来 自两方面 一 方面是器件张弛振荡频率 的限制 另一方 面是器 件寄生参数的影响 对于纯电流调制 光子的调制频率响应可写为 I 1 一 y 2 1 张驰振荡频率对器件调制特性的影响 对于以上分析 我们采用 Ma t l a b软件进行数值 模拟 图 1是张驰振荡频率对器件调制特性 的影 响 此情况下的调制特性表示成 和 的关 系 其 中 厂 图中的横坐标表示为频率 单位是 G H z 纵 盯 坐标为相对强度 单位是分贝 d B 由表 1 所示 参 数进行模拟得到图 1中三条 曲线 I I I I I I 图 2 4 5 的曲线用相同方法进行模拟 由图 1 可见 激光器的 调制存在一个张弛振荡峰值 当调制频率小于该值 时 调制响应是平坦 的 当调制频率大 于该值时 调 制效率迅速下降 这 主要是 由器件本身的谐振 效应 决定的 由于 自发辐射 超辐射 载流子扩散 空间烧 孔等因素的影响 利用单模速率方程理论计算 的谐 振频率往往高于器件实际的调制带宽 越 强 叶 f 晕 图 1 张驰振荡频率对器件调制特性 的影响 Fig 1 Effe ct s o f r e l a x a t io n o s cil l a t io ns o n t h e mo du l a t io n cha r a ct e r is t ics 2 2 衰减 系数 对器 件调 制特 性 的影 响 图 2是衰减系数对器件调制特性的影响 当衰 减系数 y 比较小时 调制曲线中有着 比较 明显的类 共振峰 随着 y 的增加 类共振峰逐渐消失 说明 对类共振过程是一个 内在的抑制因素 笪 世 b X 图2 衰减系数对器件调制特性的影响 Fig 2 Effe ct s o f a t t e nu a t io n co e fficie nt on t h e mo dul a t ion cha r a ct er is t ics 2 3 寄生参数对器件调制特性的影响 对实际应用的器件来说 不仅要考虑内在因素 对调制特性 的影响 还要考虑寄生参数对它的影响 从 电路元件 的观点来 看 器件本身和电接触引线会 引起电阻 电接触引线可以引起电感 器件的有源 区 电容和极间电容会引起寄生 电容 作为光学器件的 半导体激光器的等效 电路如图 3所示 其 中 为引 线电感 为激光器的串联电阻 包括衬底 电阻和接 触电阻 D为本征的二极管 C 为激光器的极间电 容 C 为金属管壳 的电容 管壳 电容通常忽略不计 用端电压为 的电流源驱动时 由端子流人的全部 电流 中的一部分流入半导体激光器 其余 的电流 通过旁路的电容 C C 流过 由普 通交流 电路的解 析方法导出的频率响应特性为 C 图 3 半 导体激光器的等效 电路 Fig 3 Cir cuit dia g r a m o f l a s e r diod e I I 2 9 8 西安理 工大学学报 2 0 1 1 第 2 7卷第 3期 1 一 2 0 式 中 T Q 半导体激光器的电阻 R 电容 C 电感 依赖于 半导体激光器的材料 结构 类型 封装和布线方法 理论上难 以精确求出所有 的参数 但可以参考实际 测试值 寄生参数在某些情况下会限制器件 的调制 带宽 图4是寄生参数对器件调制特性的影响 考虑 到 此情况下的调制特性表示成 A 和 的 关系 可见对于寄生参数过大的器件 它们对器件调 制带宽的影响不容忽视 图 4 寄生参数对器件市制特性的影响 Fig 4 Ef f e ct s o f pa r a s it ic pa r a me t e r s o n t h e mo d u l a t io n ch a r a ct e r is t ics 2 4 测量 的调制特 性 对于一个器件 真实测量到的 3 d B调制带宽是 由激光器内在性质和寄生参数的共 同作用决定的 半导体激光器的实际调制特性为 厂 和A 的与 关系 图 5是弛振荡频率 和寄生参数共 同作用对器 件调制带宽的影响 这里表示为 A 和厂 的 关系 可见当器件 的寄生参数太大时 激光器 的 3 d B调制带宽主要受寄生参数的带宽 A 厂 限制 单 纯改善器件的有源区结构成为徒劳 因此只能在解 决了寄生参数限制的前提下 通过对器件的有源区 和结构进行优化才能获取高的 3 d B调制带宽 图5 弛振荡频率和寄生参数共同 作用对器件调制带宽的影 响 Fig 5 To a t l e f f e c t s of r e l a x a t io n o s cil l a t ion s a nd p a r a s it ic p a r a me t e r s o n t h e mo d u l a t io n ch a r a c t e r is t ics 表 1 给出本研究数值计算时所需的参数值 其中 各参数值的定取均参考了相关文献 计算结果也主要 是为了定性描述各参数对激光器调制带宽的影响 表 1 数值计算所需的参数值 T a b 1 P a r a me t e r s f o r n u me r ica l ca l cu l a t io n 图形编 号 曲线 I的参数 曲线 的参数 曲线 的参数 3 实验工作 图 6为聚酰亚胺埋沟掩埋激光器的结构图和直 调特 性测 试结 果 该 激光 器 芯 片采 用多 次低 压 MO C V D外延技术生长 而成 有源 区为 I n G a A s P多 量子阱结构 条形区为 n p n p I n P掩埋结构 激光器 腔长为 3 0 0 m 有源区条 宽 2 m 由于 p n p n I n P 限制层高频下漏电严重 且该结构器件的寄生 电容 很大 因此采用聚酰亚胺埋沟后工艺 并在其上制作 了宽度为 8 0 m的电接触层 整个器件的结构示意 图如图 6中插图所示 腔面未镀膜时 器件的阈值 电流 8 m A 8 mW 输出功率下的工作电流为 4 8 m A 对应的发光波长 为 1 5 5 m 斜 率效率0 2 W A H P 8 5 1 0微波网络分析仪测得器件 的直调特性测试 林涛等 寄生参数对半导体激光器直接调制特性的影响 2 9 9 结果如图 6所示 从测试结果 可知 对该类 型的激 光器 引人的聚酰亚胺埋沟后工艺增加了衰减系数 同时也有效的降低了寄生参数的影响 采用聚酰亚 胺埋沟后的器件其小信号调制曲线特别平坦 但 是 器件的寄生电容对高频特性 的影响并没 有完全 消 除 偏置 电流 2 0 m A时 激光器的最大 3 d B带宽为 5 G H z 大电流工作下器件的 3 d B带宽仍小 于器件 的张弛振荡频率峰值 频率 G Hz 图 6 聚酰亚胺埋沟掩埋激光 器 的结构图和直调特性测试结果 Fig 6 S t r u ct ur e a n d h ig h f r e qu e n cy cha r a ct e ri s t ics t e s t r e s ul t s of o f p l a na r b u r ie d L Ds wit h bu ri e d p o l y imid e do u b l e t r e nch e s 图 7为 A 1 G a I n A s 脊形波导激光器的结构 图和 直调特性 测试结果 A 1 G a l n A s材料 和 I n G a A s P的 某些性质 基本类似 四元 合金 A1 G a I n A s 波 长覆 盖 范围为 0 8 1 6 m 也可与 I n P和 G a A s 衬底晶格 匹配 但 A1 G a l n A s 可 以得到更大导 带偏移 进 而 能有效阻止高温及高注入电流密度情况下载流子的 泄漏 改善器件温度特性 同时价带空穴注人一致性 好 也可以改善高频特性 由于脊形波导具有小 的 寄生电容 因此采用常规的 S iO 介质膜而不是聚酰 亚胺作为电隔离层 这大大降低了工艺复杂度 本研究中的 A 1 G a l n A s 材料脊形波导激光器 腔 长为 2 5 0 la m 脊形 条宽 3 m 激光器 P面 电极是 T iP t A u N面电极 A u G e N i P面电极采用特制 的光刻 版制作 出小电极面积 腔面未镀膜 时该脊形波导激 光器阈值电流 1 5 mA 8 mw输 出功率下的工作 电流 为 5 5 m A 对 应的发光 波长为 1 5 3 p m 斜 率效率 0 2 W A 测试时从激光 器 P面电极往铜热沉上 引 两根金丝 这样作虽然没有减小寄生电容的影响 但 是两根引线会减小寄生电感的影响 测试结果也表 明寄生参数没有 限制激光器的 3 d B带宽 最重要 的 是这种工艺相对简单 成本较低 对该类 型 的激光 器 其最大的 3 d B带宽可达 8 5 G H z 由于脊形 波 导器件具有较小 的寄生 电容 所 以对于脊形波导器 件的研究重点应放在提高器件的张弛振荡频率 期 望通过材料优化而使得器件直流特性得到一定的改 善 阈值 电流的降低会使得器件的张弛振荡频率得 到提高 频率 G H z 图7 A 1 G a I n A s 脊形波导激光器 的结构图和直调特性测试结果 F ig 7 S t r u ct ur e a n d h ig h f r e q ue n cy ch a r a ct e ri s t ics t e s t r e s ul t s o f AI Ga I n As ri d g e wa ve g uid e LD 4 结论 本研究通过理论推导和模拟计算 分析了寄生 参数对半导体激光器调制特性的影响 对于实际中 应用的半导体激光器 其 3 d B调制带宽不仅受到器 件有源区的结构和材料的制约 衰减系数 和寄生参 数 包括 电阻 寄生 电感 电容等 其 中寄生 电容 的 影响最大 也对器件最终 的调制特性起着至关重要 的作用 当器件的寄生参数太大时 激光器的 3 d B 调制带宽主要受寄生参数限制 因此只能在解决 了 寄生参数限制的前提下 通过对器件的有源 区和结 构进行优化才能获取高的 3 d B调制带宽 对于制 作的聚酰亚胺埋沟掩埋激光器 其最大 3 d B调制带 宽为 5 G Hz 聚酰亚胺埋沟后工艺减小 了寄生 电容 对 激光 器调 制特 性 的限 制 同时 该 工 艺还 增 加 了衰 减系数 使得激光器小信号调制 曲线特别平坦 对 于 A 1 G a l n A s 脊型波导激光器其最大 3 d B调制带宽 为 8 5 G Hz 由于脊型波导结构具有小的寄生 电容 该类器件 的 3 d B调制带宽主要受到张弛振荡频率 的限制 参 考文 献 1 L a u K Y A m n o n Y U l t r a h i g h s p e e d s e m i co n d u ct o r l a s e r s J I E E E J o u ma l o f Q u a n t u m E l e ct r o n i cs 1 9 8 5 2 1 2 1 2 1 1 3 8 2 L a u K Y B a r C N U r y I e t a 1 A n 1 1 G H z d i r e ct m o d u 3 0 0 西安理工大学学 报 2 0 1 1 第 2 7卷第 3期 l a t io n b a n d wid t h Ga A1 As win d o w l a s e r o n s e mi in s u l a t in g s u b s t r a t e o p e r a t i n g a t l o o m t e mp e r a t u r e J A p p l ie d P h y s ics Le t t e r 1 9 8 4 4 5 31 6 31 8 3 S u C B L a n z i s e r a V O l s h a n s k y R e t a 1 1 5 G H z d i r e ct mo d u l a t io n b a n d w id t h o f v a p o u r p h a s e r e g r o w n 1 3 m I n Ga As P b u ffe d h e t e r o s t r u ct u r e l a s e r s u n d e r C W o p e r a t io n a t r o o m t e mp e r a t u r e J E l e ct r o n i cs L e t t e r 1 9 8 5 2 1 1 3 57 7 57 9 4 H a n H F r e e m a n N H o b s o n W S e t a 1 Hi g h s p e e d mo d u l a t io n o f s t r a in co mp e n s a t e d I n Ga As Ga As P 1 nGa P mul t i p i e q u a n t u m w e l l l a s e rs J I E E E P h o t o n i cs T e ch n o l o g y L e t t e r 1 9 9 6 8 9 1 1 3 3 1 1 3 5 5 M a t s u i Y Mu r a i H A r a h ir a S e t a 1 3 0 G H z b a n d w i d t h 1 5 5 Ix m s t r a i n co mp e n s a t e d I n G a A 1 A s I n G a A s P MQ W l a s e rs J I E E E P h o t o n i cs T e ch n o l o g y L e t t e r 1 9 9 7 9 1 2 5 2 7 6 Y a s u h i r o M H i t o s h i M S h in A e t a 1 E n h a n ce d m o d u l a t io n ba n d wid t h f o r s t r a in e d co mp e n s a t e d I n Ga AI As I n G a A s P MQ W l a s e rs J I E E E J o u r n a l o f Q u a n t u m E l e c t r o n ics 1 9 9 8 3 4 1 0 1 9 7 0 1 9 7 8 7 张静媛 刘国利 朱洪亮 等 1 5 m l n G a A s P MQ W 自 对准压 缩 台 面 高 速 D F B激 光 器 J 高技 术 通 讯 20 0 2 2