一種大功率直調激光器的制作方法

本發明涉及半導體激光器領域，具體是一種大功率直調激光器。

背景技術：

相對于單量子阱半導體激光器而言，多量子阱激光器有其獨特的優勢。當量子阱個數為n時，在尺寸保持不變的情況下，多量子阱半導體激光器最高輸出功率可達單量子阱半導體激光器的n倍；在相同的工作電流下，多量子阱半導體激光器的輸出功率可達單量子阱半導體激光器的n倍。在理論上，多量子阱半導體激光器可以大大提高輸出功率和亮度，有效降低系統尺寸及對大電流電源的需求，是半導體激光器的重要發展方向。

對于高線性大功率激光器來說，量子阱個數的選擇也是十分重要的。雖然多量子阱激光器相對于單量子阱激光器有著更好的輸出功率和其他性能，可以減少載流子泄露，減小火星區載流子濃度，還能減少俄歇復合率。然而隨著量子阱個數的增加，阱層和壘層之間的應力累積會造成晶體質量下降；同時考慮到阱層和壘層的生長溫度不同，也會造成的晶體質量隨著量子阱個數的增加而下降，從而影響器件性能。因此，量子阱個數并不是越多越好，為了使激光器性能達到最好，量子阱個數的選取是至關重要的。

由于半導體激光器的性能受溫度的影響比較明顯，溫度升高會降低量子效率，升高閾值電流，從而導致激光器的性能變差，所以半導體激光器的溫度穩定性就變得異常重要。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是：如何提供一種適合高溫、高速光纖通信的溫度穩定性高的激光器。

本發明所采用的技術方案是：一種大功率直調激光器，該激光器從下到上依次為：N-InP襯底、N-InP緩沖層、Al_0.24Ga_0.23In_0.53As包層、Al_0.24Ga_0.23In_0.53As下波導層、有源區、Al_0.24Ga_0.23In_0.53As上波導層、Al_0.24Ga_0.23In_0.53As包層、P-InP緩沖層、Al_0.48In_0.52As蓋層，有源區勢壘層和勢阱層的交叉排列，勢阱層采用的是AlGaInAs材料，組分為Al0.24Ga0.23In0.53As，厚度為8.0nm，勢壘層采用的是InP材料，組分為Al_0.0039Ga_0.566In_0.43As，厚度為3.5nm，有源區量子阱個數為10。

作為一種優選方式：N-InP襯底材料組分為InP，生長厚度為0-100μm，摻雜N型半導體，摻雜濃度為2×10¹⁸/cm³。

作為一種優選方式：N-InP緩沖層材料組分為InP，生長厚度為100-101μm，摻雜N型半導體，摻雜濃度為1×10¹⁸/cm³。

作為一種優選方式：Al_0.24Ga_0.23In_0.53As包層材料組分為Al_0.24Ga_0.23In_0.53As，生長厚度為101-101.0985μm，摻雜N型半導體，摻雜濃度為5×10¹⁷/cm³。

作為一種優選方式：Al_0.24Ga_0.23In_0.53As下波導層材料組分為Al_0.24Ga_0.23In_0.53As，生長厚度為101.0985-101.1000μm，摻雜P型半導體，摻雜濃度為1×10¹³/cm³。

作為一種優選方式：有源區生長厚度為101.1000-101.2070μm，勢阱層材料組分為Al_0.0039Ga_0.566In_0.43As，厚度為0.0035μm，摻雜P型半導體，摻雜濃度為1×10¹³/cm³，勢壘層材料組分為Al_0.24Ga_0.23In_0.53As，厚度為0.008μm，摻雜P型半導體，摻雜濃度為1×10¹³/cm³。

作為一種優選方式：Al_0.24Ga_0.23In_0.53As上波導層，材料組分為Al_0.24Ga_0.23In_0.53As，生長厚度為101.2070-101.2085μm，摻雜P型半導體，摻雜濃度為1×10¹³/cm³。

作為一種優選方式：Al_0.24Ga_0.23In_0.53As包層材料組分為Al_0.24Ga_0.23In_0.53As，生長厚度為101.2085-101.3070μm，摻雜P型半導體，摻雜濃度為5×10¹⁷/cm³。

作為一種優選方式：P-InP緩沖層材料組分為InP，生長厚度為101.3070-101.4070μm，摻雜P型半導體，摻雜濃度為1×10¹⁸/cm³。

作為一種優選方式：Al_0.48In_0.52As蓋層材料組分為Al_0.48In_0.52As，生長厚度為101.4070-101.4570μm，摻雜P型半導體，摻雜濃度為1×10¹⁸/cm³。

本發明的有益效果是：本發明激光器閾值電流低，平均增益高，邊模抑制比低，輸出功率和透明載流子濃度達到高。

附圖說明

圖1、閾值電流和量子阱個數的關系圖；

圖2、平均增益和量子阱個數的關系圖；

圖3、邊模抑制比和量子阱個數的關系圖；

圖4、輸出功率和量子阱個數的關系圖；

圖5、透明載流子濃度和量子阱個數的關系圖。

具體實施方式

半導體激光器的性能受溫度的影響比較明顯，溫度升高會降低量子效率，升高閾值電流，從而導致激光器的性能變差，所以半導體激光器的溫度穩定性就變得異常重要。為了降低成本，我們需要溫度穩定性較高的激光器，使其在高溫下也能正常工作，無需致冷器。

AlGaInAs/InP材料的導帶偏調量大，在AlGaInAs/InP材料制成的激光器中，導帶可以形成較深的量子阱，更好的限制有效質量較小的電子，使電子不至于穿越勢壘層而被泄露。所以AlGaInAs/InP材料能夠有效的阻止高溫下載流子的泄露，從而提高激光器的高溫特性。

AlGaInAs/InP激光器在高溫下仍有較大的量子效率和微分增益，可以進一步提高飽和輸出功率和線性度，降低模式譜線的線寬增強因子，可以提高3dB調制帶寬，因此AlGaInAs/InP應變量子阱激光器是高溫、高速光纖通信的理想光源。

選定以AlGaInAs/InP為材料的大功率直調激光器，確定激光器的生成結構。以十個量子阱個數的激光器為例，具體生成結構從下到上依次為：

N-InP襯底材料，組分為InP，生長厚度為0-100μm，摻雜N型半導體，摻雜濃度為2×10¹⁸/cm³。

N-InP緩沖層，材料組分為InP，生長厚度為100-101μm，摻雜N型半導體，摻雜濃度為1×10¹⁸/cm³。

Al_0.24Ga_0.23In_0.53As包層，材料組分為Al_0.24Ga_0.23In_0.53As，生長厚度為101-101.0985μm，摻雜N型半導體，摻雜濃度為5×10¹⁷/cm³。

Al_0.24Ga_0.23In_0.53As下波導層，材料組分為Al_0.24Ga_0.23In_0.53As，生長厚度為101.0985-101.1000μm，摻雜P型半導體，摻雜濃度為1×10¹³/cm³。

有源區，生長厚度為101.1000-101.2070μm，勢阱層材料組分為Al_0.0039Ga_0.566In_0.43As，厚度為0.0035μm，摻雜P型半導體，摻雜濃度為1×10¹³/cm³，勢壘層材料組分為Al_0.24Ga_0.23In_0.53As，厚度為0.008μm，摻雜P型半導體，摻雜濃度為1×10¹³/cm³。

Al_0.24Ga_0.23In_0.53As上波導層，材料組分為Al_0.24Ga_0.23In_0.53As，生長厚度為101.2070-101.2085μm，摻雜P型半導體，摻雜濃度為1×10¹³/cm³。

Al_0.24Ga_0.23In_0.53As包層，材料組分為Al_0.24Ga_0.23In_0.53As，生長厚度為101.2085-101.3070μm，摻雜P型半導體，摻雜濃度為5×10¹⁷/cm³。

P-InP緩沖層，材料組分為InP，生長厚度為101.3070-101.4070μm，摻雜P型半導體，摻雜濃度為1×10¹⁸/cm³。

Al_0.48In_0.52As蓋層，材料組分為Al_0.48In_0.52As，生長厚度為101.4070-101.4570μm，摻雜P型半導體，摻雜濃度為1×10¹⁸/cm³。

該激光器的每層材料、組分、厚度以及摻雜濃度如下表所示。

通過相應的理論計算及推導公式，計算出最佳量子阱個數，用以驗證后續仿真模擬實驗結論的正確性。由麥克斯韋方程，引入哈密頓算符，再采用密度矩陣分析法，綜合光波模分析要點得到描寫載流子和光強隨時間變化的方程式，給激光器注入穩定電流，經過一段瞬態過程后，電子密度和光子密度達到穩定狀態，求解穩態速率方程組，可為計算最佳量子阱個數提供理論依據。

載流子密度速率方程式為：

其中：N：注入載流子密度；光子能量；G：增益系數；光波電磁場的能量密度；τ_s：導帶價帶弛豫時間；N/τ_s：單位時間內有源區單位體積光子的自然發射；J：注入電流密度；d：有源層厚度；q：電荷電量；J/dq：單位時間單位體積注入載流子數。

假設激光器以單一激光膜振蕩，電場可寫為：

$\stackrel{\→}{E}(\stackrel{\→}{r},t)=\stackrel{\→}{E}\left(\stackrel{\→}{r}\right)\exp (-i\mathrm{\ω}tx)E\left(t\right)---\left(2\right)$

其中：

光子密度為S，定義為諧振腔內光子數：

其中：V_C：諧振腔體積；V_a：有源區體積。

受激復合項在有源區平均值寫成：

其中：Γ：光波模在有源區內的限制系數。

由此(1)式可以寫成：

dN/dt＝-ΓGS-N/τ_s+J/dq (5)

其中：Γ為限制系數；G為時間增益系數；S為光子密度；τ_s是載流子壽命。

根據上式我們寫出光子密度速率方程：

dS/dt＝ΓGS-S/τ_ph+C_sN/τ_s (6)

其中：Γ為限制系數；G為時間增益系數；S為光子密度；τ_ph為光子壽命；C_s為自發輻射系數；τ_s是載流子壽命。

速率方程穩態解：

給激光器注入恒定電流，經過一段瞬態過程(若干納秒)后，電子密度和光子密度達到穩定狀態，這時dN/dt＝0，dS/dt＝0，求解穩態速率方程組：

dN/dt＝-ΓGS-N/τ_s+J/dq (7)

dS/dt＝ΓGS-S/τ_ph+C_sN/τ_s (8)

其中：Γ為限制系數；G為時間增益系數；S為光子密度；τ_s是載流子壽命；τ_ph為光子壽命；-ΓGS是受激復合項，N/τ_s是自然發射復合項，J/dq是由注入引起的少數載流子密度變化。

在C_s＝0這一極端情況下定義閾值電流，穩態載流子密度和閾值電流分別為：

N＝N₀exp(1/τ_phMΓ₀G₀) (9)

其中：N₀為透明載流子濃度；τ_ph為光子壽命；M為量子阱個數；Γ₀為限制因子；

G₀為量子阱結構的增益系數；

I_th＝eMV/ητ_s*N₀exp(1/τ_phMΓ₀G₀) (10)

其中：e為電子電量；V為單個量子阱體積；η為注入效率；τ_s為載流子壽命；N₀為透明載流子濃度；M為量子阱個數；Γ₀為限制因子；G₀為量子阱結構的增益系數；對上式取極值：

$M_{opt}=1/{\mathrm{\τ}}_{ph}{\mathrm{M\Γ}}_0{G}_0={\mathrm{\υ}}_g/{\mathrm{\Γ}}_0{G}_0(a_{\mathrm{int}}+\frac{1}{L}+ln\frac{1}{R})---\left(11\right)$

其中：τ_ph為光子壽命；M為量子阱個數；Γ₀為限制因子；G₀為量子阱結構的增益系數；a_int為內部損耗，L為腔長；R為端面反射率。

由上式可知，多量子阱最佳阱數M_opt與器件參數(腔長L、光場限制因子Γ₀和反射率R)為反比關系。

基于以上理論過程，以及表2中激光器的具體參數，可以計算得出最佳量子阱個數為10。

在確定好激光器的各層組分、厚度以及摻雜厚度之后，利用ALDS仿真軟件模擬生成該激光器。具體步驟為：(1)在ALDS結構輸入部分，可以構建激光器的長度和橫截面結構，為當前項目進行分節。(2)該激光器結構分為三節，依次是折射率為0.95的橫截面、長度為300um的分支、折射率為0.03的橫截面。(3)進行3D橫截面和長度仿真，在結構輸入中從下到上，依次畫出激光器的各層厚度，并為相應層添加材料組分和摻雜濃度。(4)保證激光器各層厚度、組分和摻雜濃度不變，更改有源區量子阱的個數。分別選取量子阱個數為7、8、9、10、11、12、13，畫出7組激光器進行對比，畫出不同量子阱個數的激光器。

畫出激光器結構之后，對每組激光器進行結構和材料求解，包括電路提取、熱電路提取、橫向光學解算器、以及材料求解。通過這個過程計算出激光器的各項基本性能參數。運行不同的求解過程之后，可以得到相應的電路圖以及波形圖，用以觀測激光器的工作狀態和性能。

進行閾值分析，在局部偏置設置中，散熱片溫度選擇300K，最大估計閾值電流選擇100mA。相應的電氣模態參數、光學模態參數、熱模態參數、材料的模態參數已由上述過程求解出，這里需要從文件中把所有計算出的負載值加載到閾值電流框中，進行閾值電流分析，可以得出閾值電流和模態波長參數，以及左右兩邊的邊模抑制比。

進行穩態分析，在局部偏置設置中，散熱片溫度選擇300K，有源區最大偏置電流選擇100mA。執行穩態分析，可以生成一模波長和偏置電流、外部效率和偏置電流、一模功率和偏置電流、邊模抑制比和偏置電流的關系曲線圖。在執行穩態分析之后，在輸出選項卡中可以得出其光學特性參數和載流子、增益、熱特性參數。

進行分布和頻譜分析，在局部偏置設置中，散熱片溫度選擇300K，抽樣誤差電流為500mA。執行分布和頻譜分析，可以生成一模功率和偏置電流之間的關系曲線圖，以及光譜。在執行分布和頻譜分析之后，在輸出選項卡中可以得出其分布和光譜參數。

進行小信號分析，在局部偏置設置中，散熱片溫度選擇300K，抽樣偏置電流為500mA，調制深度為0.1，調制電流為0.1mA，抽樣頻率為10⁸Hz，雙色調差異頻率10⁷Hz，掃描下邊界頻率為10³Hz，掃描上邊界頻率為3×10¹¹Hz。執行小信號分析，可以得到馳豫振蕩頻率和偏置電流的關系曲線圖，以及強度調制響應和調制頻率的關系曲線圖。在輸出選項卡中，可以得出其強度調制響應、頻率調制響應和功率比參數。

進行噪聲分析，在局部偏置設置中，散熱片溫度為300K，抽樣偏置電流為500mA，掃描下邊界頻率為10³Hz，掃描上邊界頻率為3×10¹¹Hz。執行噪聲分析，可以得到相對調制噪聲和偏置電流的關系曲線圖，以及相對調制噪聲和調制頻率之間的關系，即相對調制噪聲譜。在輸出選項卡中，可以得出噪聲頻譜和其他參數。

進行大信號分析，工作溫度為300K，比特率為10Gbits/s，占空比為1，最小直流偏置電流為10mA，最大偏置電流為10mA，位序列起始時間為1ns，位序列模式為隨機序列，位序列長度為2。噪聲參數中，噪聲耦合系數為5×10^-5mA，彼得曼因子為1；仿真控制參數中，定義基準波長為1.3um，定義調制帶寬為10nm，每10ps輸出間隔為0，進行線性調頻計算。在輸出選項卡中，可以得出輸出功率和線性波長參數。

對七組不同量子阱個數的激光器分別測試出閾值電流、平均增益、邊模抑制比、輸出功率以及透明載流子濃度，分析量子阱個數對激光器這些性能參數的影響。

當量子阱個數為7時，閾值電流為18.6mA，平均增益為2946cm^-1，邊模抑制比為4.23dB，輸出光功率為3.3×10²mW，透明載流子濃度為699.8×10¹⁵cm³.

當量子阱個數為8時，閾值電流為15.88mA，平均增益為3248cm^-1，邊模抑制比為4.19dB，輸出光功率為3.7×10²mW，透明載流子濃度為700.4×10¹⁵cm³.

當量子阱個數為9時，閾值電流為14.2mA，平均增益為3799cm^-1，邊模抑制比為4.16dB，輸出光功率為4.6×10²mW，透明載流子濃度為700.9×10¹⁵cm³.

當量子阱個數為10時，閾值電流為13.4mA，平均增益為4355cm^-1，邊模抑制比為4.15dB，輸出光功率為5.6×10²mW，透明載流子濃度為701.2×10¹⁵cm³.

當量子阱個數為11時，閾值電流為13.45mA，平均增益為2298cm^-1，邊模抑制比為4.16dB，輸出光功率為4.5×10²mW，透明載流子濃度為701.1×10¹⁵cm³.

當量子阱個數為12時，閾值電流為13.57mA，平均增益為1990cm^-1，邊模抑制比為4.17dB，輸出光功率為4.1×10²mW，透明載流子濃度為700.9×10¹⁵cm³.當量子阱個數為13時，閾值電流為13.69mA，平均增益為1943cm^-1，邊模抑制比為4.19dB，輸出光功率為3.7×10²mW，透明載流子濃度為700.7×10¹⁵cm³.基于以上分析，可以得出在量子阱個數為10時，激光器各項性能達到最優。不同量子阱個數下的激光器性能參數表

多量子阱半導體激光器閾值電流與量子阱個數的關系如圖1所示。對于閾值電流的最小值還存在一個最佳阱數值，不同于計算所得的線性關系的結果，隨著量子阱數M的增加，多量子阱半導體激光器閾值電流I_th會隨之減小，但并不是量子阱數M越大越好，一方面是由于目前材料制造技術限制，另一方面，隨著量子阱數增多，有源層總厚度增加，導致光限制系數減小，進而又使閾值電流增加。由圖1的趨勢可以得出，當量子阱個數為10時，閾值電流達到最小值13.4mA。多量子阱半導體激光器平均增益與量子阱個數的關系如圖2所示。理論上激光器增益與電流密度關系是線性的，當阱數為十時，量子阱增益最大，模擬結果與理論吻合。當量子阱個數再繼續增加時，平均增益又會急劇下降，這說明當量子阱個數為10時，平均增益可以達到最大值。實際上現在很多設計中討論了線寬展寬因子α，利用增益來計算半導體激光器的α因子。

多量子阱半導體激光器邊模抑制比(SMSR)與量子阱個數的關系如圖3所示。當量子阱個數過少時，邊模抑制比會比較大，從而影響激光器的性能，隨著量子阱個數的增加，邊模抑制比會不斷下降，直到量子阱個數為十時，降到最低。當量子阱個數再繼續增加，邊模抑制比又會繼續增大，這說明當量子阱個數為十時，邊模抑制比達到最優狀態。

多量子阱半導體激光器的功率與量子阱個數的關系如圖4所示。當量子阱個數過少時，激光器輸出功率較低，亮度較弱，隨著量子阱個數的增加，載流子復合率不斷增加，使得激光器輸出功率也在不斷增加。當量子阱個數為十時，激光器輸出功率達到最高。當量子阱個數再繼續增加時，激光器功率又會出現下降趨勢，這表明在量子阱個數為十時，激光器的輸出功率達到最大值。

多量子阱半導體激光器的透明載流子濃度與量子阱個數的關系如圖5所示。當量子阱個數較少時，激光器的透明載流子濃度比較低，激光器的性能比較差，隨著量子阱個數的不斷增加，透明載流子濃度線性增加。當量子阱個數達到十時，透明載流子濃度達到最大。當量子阱個數再繼續增加時，透明載流子濃度會逐漸下降，這表明在量子阱個數為十時，激光器的透明載流子濃度達到最大值。

量子阱個數對激光器性能的影響至關重要，當量子阱個數較少時，量子阱能容納的載流子是有限的，更多的載流子會在包層就進行復合，造成很大的載流子浪費。所以適當的增多量子阱的個數，就會使更多的載流子進入量子阱內發生復合，從而提高載流子的復合率。但是隨著量子阱個數的進一步增加，生長材料的厚度就會高于臨界厚度，阱層與壘層的應力累積會極大影響激光器的性能，使得極化現象明顯，并造成不必要的材料浪費。

分析已知數據可以得出結論：當量子阱個數為十時，AlGaInAs/InP激光器的各項性能達到最優。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行同等替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍。