中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院、光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室喻穎、余思遠(yuǎn)課題組提出一種新型波導(dǎo)側(cè)壁介質(zhì)光柵選模結(jié)構(gòu)，首次將光柵的設(shè)計(jì)制備與化合物半導(dǎo)體材料外延以及波導(dǎo)加工工藝分離，為研制新一代超高性能DFB和DBR激光器提供了高度創(chuàng)新且可靠的方案；將該新型光柵與自主外延生長(zhǎng)的高性能砷化銦/砷化鎵（InAs/GaAs）量子點(diǎn)增益材料相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高邊模抑制比、低相對(duì)強(qiáng)度噪聲、強(qiáng)抗光反饋能力的1310 nm波段量子點(diǎn)DFB激光器及其多波長(zhǎng)陣列。
相關(guān)成果以“High performance distributed feedback quantum dot lasers with laterally coupled dielectric gratings”為題，于04月29日在線發(fā)表于Photonics Research上。
研究背景
具有窄線寬、低噪聲并對(duì)光反饋具有強(qiáng)耐受能力的高性能半導(dǎo)體激光器是光通信、激光雷達(dá)、光傳感以及量子技術(shù)等應(yīng)用領(lǐng)域重要核心器件。利用布拉格光柵對(duì)半導(dǎo)體激光器的工作波長(zhǎng)進(jìn)行選擇的分布式反饋（DFB）或分布式布拉格反射鏡（DBR）結(jié)構(gòu)是獲得高性能單縱模半導(dǎo)體激光器的重要方法。
現(xiàn)有的磷化銦（InP）基光通信波段DFB激光器一般采用將光柵嵌入有源層上方附近的掩埋型結(jié)構(gòu)，需要采用二次掩埋外延工藝對(duì)光柵進(jìn)行覆蓋。二次掩埋外延工藝比較適于金屬有機(jī)化合物氣相化學(xué)沉積（MOCVD），對(duì)于主要采用分子束外延（MBE）的較短波長(zhǎng)砷化鎵（GaAs）及較長(zhǎng)波長(zhǎng)銻化鎵（GaSb）基激光器工藝不易兼容，對(duì)覆蓋層的材料要求也比較苛刻。
研究創(chuàng)新點(diǎn)
為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出了采用低損耗非晶硅介質(zhì)作為光柵材料的新型波導(dǎo)側(cè)壁光柵 DFB 激光器方案[圖1(a) ]。通過(guò)優(yōu)化光柵設(shè)計(jì)和加工工藝，實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定性和重復(fù)性的反饋選模[光柵形貌如圖1(b)所示]。
將該新型光柵與實(shí)驗(yàn)室MBE外延生長(zhǎng)的高性能InAs/GaAs量子點(diǎn)增益材料相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了輸出功率達(dá) 26.6 mW的1310 nm波段電泵浦室溫連續(xù)工作量子點(diǎn)DFB激光器，并進(jìn)一步成功研制了符合LWDM波長(zhǎng)分布的激光器陣列[圖1(d)]。
圖1 (a)非晶硅側(cè)壁耦合光柵結(jié)構(gòu)示意圖，(b)非晶硅光柵SEM俯視圖，(c)脊寬為2.1 μm，腔長(zhǎng)為1.5 mm激光器的IPV曲線，(d) 室溫 100 mA 注入電流下LWDM激光器陣列光譜，(e)室溫不同注入電流下激光器相對(duì)強(qiáng)度噪聲曲線，(f) 不同注入電流下 5 GHz 頻率的相對(duì)強(qiáng)度噪聲與反饋強(qiáng)度關(guān)系曲線，插圖為注入電流為4 倍閾值時(shí)不同反饋強(qiáng)度下的光譜變化
新型光柵高穩(wěn)定的耦合反饋系數(shù)使得激光器能夠在連續(xù)變電流條件下單縱模激射，具有極高的單模成品率，80 mA注入電流下邊模抑制比達(dá) 52.7 dB。半導(dǎo)體自組織量子點(diǎn)對(duì)載流子的三維限制作用以及極小的線寬增強(qiáng)因子，與新型光柵的高品質(zhì)單模特性相結(jié)合，使得該新型DFB激光器展示出高溫度穩(wěn)定性，在高電流注入下實(shí)驗(yàn)測(cè)得了低于165 dB/Hz 的超低相對(duì)強(qiáng)度噪聲[圖1(e)]，以及大于12.5 dB（5.9%）抗光反饋能力[圖1(f)]。
總結(jié)與展望
本項(xiàng)工作通過(guò)將介質(zhì)光柵結(jié)構(gòu)置于波導(dǎo)側(cè)壁，首次將光柵制作與半導(dǎo)體激光器材料外延生長(zhǎng)及波導(dǎo)制備過(guò)程分離，實(shí)現(xiàn)了具有最低的相對(duì)強(qiáng)度噪聲的高性能半導(dǎo)體量子點(diǎn)DFB激光器。
這一新技術(shù)無(wú)需二次外延，不僅可以基于低成本激光器外延片研制高性能DFB、DBR激光器，在實(shí)現(xiàn)高成品率的同時(shí)降低成本，還具有極高的工藝兼容性：通過(guò)選擇對(duì)激射波長(zhǎng)透明的介質(zhì)光柵材料，可適用于不同波段的半導(dǎo)體激光器，從而為基于一個(gè)技術(shù)平臺(tái)、面向多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域研制多個(gè)不同波長(zhǎng)的高性能半導(dǎo)體激光器打開(kāi)了大門(mén)，可能對(duì)傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器生產(chǎn)方式產(chǎn)生顛覆性影響。
中山大學(xué)博士研究生楊灼輝為第一作者，喻穎副教授和余思遠(yuǎn)教授為共同通訊作者。該工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、廣東省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、廣州市重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、廣東省珠江人才計(jì)劃本土創(chuàng)新科研團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目以及中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等的大力支持。
論文鏈接：
https://www.researching.cn/articles/OJ74bc161dd57d8125
（來(lái)源：愛(ài)光學(xué)）
