基于氧化孔径和浅刻槽的单模窄线宽半导体激光器

《Optics & Laser Technology》：Single-mode narrow-linewidth semiconductor laser based on oxidized aperture and shallowly etched slots

基于氧化孔和浅蚀刻表面槽的单模窄线宽半导体激光器设计，通过标准i线光刻工艺简化制造流程，消除传统工艺中的脊形蚀刻和异质外延生长，有效抑制非辐射复合和表面光学损耗。实验表明，该激光器在150-400mA电流和15-40°C温度范围内实现稳定单模运行，最大输出功率20mW，侧模抑制比42dB，线宽638kHz，适用于光通信、相干检测等领域。

　　

Pingping Qiu|Hengjie Zhou|Qiuhua Wang|Qiang Kan

中国科学院半导体研究所光电材料与器件国家重点实验室，北京 100083，中国

摘要

我们展示了一种基于氧化孔径和浅刻表面槽的新型单模窄线宽半导体激光器。该结构通过标准i线光刻工艺简化了制造过程，无需复杂的外延再生过程，显著降低了与刻蚀相关的挑战。通过避免传统的制造步骤（如脊刻蚀和外延再生），我们的设计有效减少了传统器件制造中常见的非辐射复合损耗和表面光损耗。实验结果验证了在宽注入电流范围（150–400 mA）和操作温度范围（15–40°C）内激光器的稳定单模运行性能，最大输出功率为20 mW，边模抑制比高达42 dB，线宽为638 kHz。凭借其高性能、制造简便性和低成本，这种激光器为光通信、相干检测和微波光子学等先进光子应用提供了有前景的解决方案。

引言

单模窄线宽半导体激光器是多种应用中的关键组件，包括光通信、原子钟、光检测与测距（LiDAR）、光学传感和光谱学[[1], [2], [3], [4], [5]]。在各种类型的单模半导体激光器中，分布式反馈（DFB）激光器因其结构简单的设计和集成布拉格光栅提供的优异波长选择性而成为首选[[6], [7], [8]]。然而，传统DFB激光器的制造需要高分辨率光刻和复杂的外延再生过程，导致制造成本增加和产量降低。因此，人们非常关注通过简化制造工艺来开发单模激光器——特别是那些能够消除再生步骤的工艺。

为了实现这种简化工艺，通常使用侧向耦合DFB（LC-DFB）激光器和表面光栅激光器。这些结构通常通过在脊的侧壁[[9], [10], [11]]上刻蚀光栅或直接在脊波导本身[[12], [13], [14]]中刻蚀光栅来制造。然而，这些方法通常需要电子束光刻进行图案化，这比传统光刻要昂贵得多。此外，侧壁刻蚀的光栅通常存在耦合弱和电流泄漏问题。虽然脊刻蚀的光栅可以克服这些限制，但在这种配置下制造低阶光栅需要极高的刻蚀纵横比，这在技术上仍然具有挑战性。

另一种方法是在传统的法布里-珀罗（FP）激光器腔体内加入反射槽——也称为高阶表面光栅[[15], [16], [17]]，以实现单模运行。这些槽的相对较大的特征尺寸（约1 μm）使其可以使用标准光刻和干法刻蚀技术轻松制造。通过在光波导上周期性地刻蚀这些槽（周期由布拉格条件确定），可以提供波长选择性反馈，从而实现单纵模激光。这些激光器的特性与DFB激光器相当，包括窄线宽[18,19]、高调制带宽[20,21]和高边模抑制比（SMSR）[22,23]。然而，要实现有效的模式选择，通常需要深度超过1 μm的深刻槽。这不仅对制造控制提出了严格要求，还会引入额外的非辐射复合损耗和表面光损耗。

氧化限制结构已广泛应用于垂直腔面发射激光器（VCSEL）中以实现光学和电流限制，也有报道指出带有槽的FP激光器可以实现单纵模运行，但这两个概念在之前的研究中仅被单独研究过。目前尚未有研究将氧化限制波导与浅刻表面槽结合起来，以实现边缘发射半导体激光器的横向模式限制和波长选择性反馈的协同优化。在这项工作中，我们提出了一种新的激光器设计，首次将氧化孔径结构与浅刻表面槽结合在一个边缘发射激光器架构中。氧化孔径波导提供了光学和电流限制，确保了稳定的单横向模式运行，而浅刻表面槽提供了平面内反馈，以实现单纵模运行。通过避免传统的制造步骤（如脊刻蚀和外延再生），我们的设计有效减少了传统器件制造中常见的非辐射复合损耗和表面光损耗。实验结果证实了所制造激光器的稳健性能，在宽注入电流和温度范围内保持稳定的单模运行。该器件实现了最大输出功率20 mW和高达42 dB的边模抑制比。线宽为638 kHz，表明了器件的高质量和低噪声特性。这些发现突显了我们设计作为高性能单模窄线宽激光器源的潜力。

部分摘录

器件设计与制造

图1展示了带有氧化孔径和槽的单模半导体激光器的三维（3D）示意图和横截面图。外延结构是通过金属-有机化学气相沉积（MOCVD）在4英寸n-GaAs衬底上生长的。首先是一层500 nm的Si掺杂GaAs缓冲层，接着是一层30 nm的GaAs隧道结，然后是一层1.5 μm的Al_0.65Ga_0.35As p型包层和一层20 nm的高Al含量Al_0.98Ga_0.02As氧化层

结果与讨论

对同一批次的多个器件进行了表征，这里呈现的结果代表了典型的性能。在多个热循环和电流扫描下的重复测量证实了器件运行的可重复性和稳定性。制造的激光器腔长为1 mm，在测试过程中使用热电冷却器（TEC）将铜散热器的温度稳定在20°C。图6展示了测量结果

结论

总之，我们展示了一种基于氧化孔径和浅刻表面槽的单模窄线宽半导体激光器，该激光器创新性地集成了氧化限制波导和浅刻表面槽结构，实现了横向模式限制和波长选择性反馈的协同优化。所提出的设计通过标准接触型i线光刻工艺简化了制造过程，避免了复杂的外延再生过程

CRediT作者贡献声明

Pingping Qiu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，验证，方法论，研究，形式分析，数据管理，概念化。Hengjie Zhou：研究。Qiuhua Wang：软件。Qiang Kan：监督，资源获取。

资助

本工作得到了量子科学技术-国家科技重大专项（2023ZD0300802）、北京市自然科学基金（4244111）和中国国家自然科学基金（62134008, 62435001）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。