MP  >> Vol. 8 No. 6 (November 2018)

    基于模式扩展层结构的980 nm小发散角半导体激光器模拟研究
    Study on Simulation of 980 nm Small Far Field Divergence Semiconductor Lasers Based on Mode Expansion Layers

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作者:  

曾丽娜,李 林,李再金,赵志斌,曲 轶,彭鸿雁:海南师范大学,物理与电子工程学院,海南 海口

关键词:
半导体激光器垂直发散角阈值电流密度限制因子模式扩展层Semiconductor Lasers Far Field Divergence Threshold Current Density Confinement Factor Mode Expansion Layers

摘要:

为了获得小垂直发散角和较低阈值电流密度,本文设计了一种基于模式扩展层结构的980 nm In-GaAs/GaAs/AlGaAs单量子阱激光器新型结构。通过Crosslight软件模拟优化,研究了模式扩展层和低折射率层对激光器的垂直发散角及阈值电流密度的影响。当激光器垂直发散角为17˚时,激光器阈值电流密度为257 A/cm2。垂直发散角最小可以达到15˚左右,阈值电流密度为494 A/cm2

In order to obtain small far field divergence angle and lower threshold current density, a novel structure of 980 nm InGaAs/GaAs/AlGaAs single quantum well laser based on mode expansion layers has been designed. The effects of mode expansion layers and lower refractive index layers on far field divergence and threshold current density have been investigated using Crosslight software. The calculated results show that the optimized structure has a threshold current density of 257 A/cm2 when far field divergence is about 17˚. The far field divergence angel can be as low as 15˚ when the threshold current density is 494 A/cm2.

1. 引言

目前,随着新一代超高速、超大容量光纤通讯的快速发展,泵浦源如何与光纤高效的耦合越来越引起人们的关注。980 nm半导体激光器是掺饵光纤放大器最理想的泵浦源,但是由于激光器有源区厚度很小,导致其垂直发散角非常大,使得激光器远场光场光斑呈椭圆形,降低了980 nm半导体激光器的泵浦效率和光纤耦合效率。

目前减小半导体激光器垂直发散角的一般方法有非对称波导、宽波导大光腔、模式扩展层等,李建军等 [1] 采用非对称超大光腔波导结构,激光器的垂直发散角降低到24˚。Zhu Xiao Pen等 [2] 优化宽波导大光腔结构制备的980 nm半导体激光器的垂直发散角降低到23˚。F. Bugge等 [3] 利用宽波导结构获得了InGaAs多量子阱激光器的阈值电流密度约为200 A/cm2,远场发散角为20˚。Byungjin Ma等 [4] 优化了2步N型包层GaInP-AlGaInP量子阱激光器结构,器件的远场发散角为15.3˚。 K. H. Hasler等 [5] 采用InGaAs量子阱超大光腔和分布布拉格反射(DBR)锥形激光器结构,器件的垂直远场发散角减小至15˚。A. Pietrzak等 [6] 利用超宽厚度(8.6微米)宽波导结构,得到多量子阱激光器的远场发散角为15.6˚。宽波导大光腔结构 [7] 在减小发散角时会激发高阶模,且会增大激光器的阈值电流密度,同时材料外延生长也变得困难。Soohaeng Cho等 [8] 设计制造了一种特殊结构的激光器,虽然发散角可以降低到15˚左右,但是阈值电流密度却升高到1600 A/cm2,极大的限制了其应用。模式扩展层结构 [9] [10] [11] [12] [13] 可以降低激光器的垂直发散角至20˚左右,但器件阈值电流密度通常大于不含扩展波导的普通结构激光器。

本文在980 nm半导体激光器普通结构基础上,利用Crosslight软件中的Lastip模块对带有模式扩展层结构的半导体激光器进行模拟仿真,研究了模式扩展层和低折射率层对激光器的垂直发散角及阈值电流密度的影响。基于模式扩展层结构,在扩展波导和中心波导层之间加入一个低折射率层,设计了一种新的半导体激光器结构,有效降低激光器的远场发散角。调整模式扩展层和低折射率层的折射率和厚度,可以有效降低激光器的远场发散角。

2. 结构设计和模拟分析

本文中激光器条宽为50 μm,腔长为800 μm,前后腔面膜反射率为5%、95%。980 nm半导体激光器外延结构:有源区为In0.23Ga0.77As/GaAs单量子阱,量子阱宽度为6 nm,势垒厚度为10 nm。波导层为渐变波导,材料为0.1 μm厚的AlxGa1−xAs,x从0.2渐变至0.4。限制层为1.2 μm厚的Al0.4Ga0.6As。其中有源区和波导层不掺杂,N型限制层掺1 × 1018 cm−3,P型限制层掺8 × 1017 cm−3。由光场的近场和远场分布的傅里叶变换以及远场垂直发散角的定义可知,近场光场越宽,远场发散角越小。模式扩展层结构是在普通结构的限制层中对称的插入一个高折射率波导层,如图1所示,为含有模式扩展层结构的激光器的折射率及其近场光场图,左纵轴和右纵轴分别对应于激光器的有效折射率和激光器的近场光场。由图1可见,近场光场在主峰的两边各产生了一个次峰,这两个次峰的位置正好处于模式扩展层的位置。模式扩展层可以起到扩展近场光场,从而降低远场发散角的作用。图2为一种新结构的小发散角激光器的折射率及其近场光场图,基于模式扩展层结构,在扩展波导和中心波导层之间加入一个低折射率层,新结构有效的扩展了激光器的近场光场,能够有效降低激光器的远场发散角。

Figure 1. Refractive index profile versus distance of the structure with mode expansion layer and the calculated electric field amplitude at facet

图1. 模式扩展层结构激光器的折射率及其近场光场

Figure 2. Refractive index profile versus distance of the novel structures and the calculated electric field amplitude at facet

图2. 新结构激光器的折射率及其近场光场

2.1. 模式扩展层厚度对激光器特性的影响

新结构中的低折射率层材料为Al0.5Ga0.5As,厚度为0.4 μm。适当调整扩展波导中Al的组分,材料为Al0.35Ga0.65As。低折射率层和扩展波导层均掺杂,其掺杂浓度分别为5 × 1017 cm−3和3 × 1017 cm−3图3为新结构激光器的垂直发散角和阈值电流密度随模式扩展层厚度变化的关系图。由图3可知,随着模式扩展层厚度的增加,激光器的阈值电流密度以指数函数形式迅速上升,而远场垂直发散角则呈近线性降低,这与普通的含有模式扩展层结构激光器的变化趋势相同。当模式扩展层厚0.5 μm时,此时垂直发散角最小为15˚,阈值电流密度达到最大为494 A/cm2;而当模式扩展层厚度为0.25 μm时,激光器的发散角最大为20˚,其阈值电流密度只有184 A/cm2。当模式扩展层厚度0.4 μm时,激光器发散角为17˚,阈值为257 A/cm2,此时发散角很小,阈值电流密度也较低。

Figure 3. Calculated far field divergence and threshold current density as a function of mode expansion layer width for the novel structures device

图3. 新结构激光器的垂直发散角和阈值电流密度随模式扩展层厚度变化的关系

2.2. 低折射率层厚度对激光器特性的影响

对新结构中低折射率层的厚度进行模拟优化,设定模式扩展层厚0.3 μm,外延层各部分的掺杂、Al组分等都不改变。如图4(a)所示,为新结构激光器的垂直发散角和阈值电流密度随低折射率层厚度变化的关系图。由图4可见,随着低折射率层厚度的增加,激光器的阈值电流密度近线性降低,垂直发散角的降低趋势逐渐变缓,当厚度达到0.5 μm后,低折射率层继续加宽,但是垂直发散角没有明显变化。激光器垂直发散角最小可以降低到18˚,器件的阈值电流密度为173 A/cm2图4(b)为对应情况下,器件的光学限制因子与低折射率层厚度的关系,限制因子随着低折射率层厚度增加不断上升。

(a) (b)

Figure 4. (a) Calculated far field divergence and threshold current density for the new structure device as a function of lower refractive index layer width; (b) Calculated confinement factor for the new structure device as a function of lower refractive index layer width

图4. (a) 新结构激光器的垂直发散角和阈值电流密度随低折射率层厚度变化的关系;(b) 新结构激光器的限制因子随低折射率层厚度变化的关系

图4可知,随着低折射率层厚度的增加,激光器垂直发散角和阈值电流密度均下降,而光学限制因子却随着厚度的增加而上升,这一结果与一般结构不同。一般情况下,垂直发散角降低的同时伴随着限制因子的下降,而限制因子降低会引起激光器阈值电流密度的增加。对于普通的InGaAs/GaAs/AlGaAs模式扩展层结构激光器而言,在一定厚度范围内随着内限制层厚度的增加,远场垂直发散角和限制因子呈下降的趋势,而阈值电流密度则会迅速上升。对于只含有低折射率层的激光器结构而言,随着低折射率层厚度的增加会使得限制因子上升,远场发散角降低,阈值电流密度也不断下降 [14] [15] 。出现本文这种现象是低折射率层和模式扩展层共同作用的结果,在这一过程中低折射率层起到了主导作用。

2.3. 模式扩展层和低折射率层Al组分对激光器特性的影响

低折射率层和模式扩展层的折射率对激光器的光场、阈值电流密度等有重要的影响,适当的折射率差可以降低激光器阈值电流和发散角。对此,通过改变低折射率层Al组分(XL)和模式扩展层Al组分(XM),研究折射率对激光器性能的影响。确定低折射率层厚度为0.4 μm,模式扩展层厚度为0.3 μm,其它不变。图5(a)为激光器远场发散角和阈值电流密度与模式扩展层Al组分的关系,其中实线对应于阈值电流密度,虚线对应于远场发散角。每一条曲线代表一个不同的低折射率层Al组分,分别为0.4、0.45、0.5。图5(b)为激光器限制因子与模式扩展层Al组分的关系。

(a) (b)

Figure 5. (a) Calculated threshold current density and far field divergence as a function of mode expansion layer Al composition for different lower refractive index layer Al composition(■: XL = 0.4; ▲: XL = 0.45; ▼: XL = 0.5); (b) Calculated confinement factor as a function of mode expansion layer Al composition for different lower refractive index layer Al composition (■: XL = 0.4; ▲: XL = 0.45; ▼: XL = 0.5)

图5. (a) 阈值电流密度以及远场发散角与模式扩展层Al组分之间的关系,每条曲线分别代表一个不同的低折射率层Al组分(■:XL = 0.4;▲:XL = 0.45;▼:XL = 0.5);(b) 限制因子与模式扩展层Al组分之间的关系,每条曲线分别代表一个不同的低折射率层Al组分(■:XL = 0.4;▲:XL = 0.45;▼:XL = 0.5)

图5可知,当低折射率层Al组分XL恒定不变时,随着模式扩展层Al组分XM的升高,激光器的远场发散角和限制因子不断上升,而阈值电流密度则不断下降,而且这种趋势随着低折射率层Al组分XL的增加而越来越明显。对于XL = 0.4时,即为普通的模式扩展层结构,从图5(a)可知低折射率层的引入有效的降低了模式扩展层结构激光器的垂直发散角。取XL = 0.5,XM = 0.35时,器件发散角为19˚,与普通模式扩展层结构相比,新结构限制因子低了0.2%左右,阈值电流密度较模式扩展层结构并没有明显的增加。

当XL = 0.5,XM恒定不变时,激光器垂直发散角始终比XL = 0.45和XL = 0.4时低,且随着模式扩展层Al组分XM从0.4降低到0.32时,阈值电流密度和限制因子变化幅度最大,而当XM降低到0.3后,激光器近场光场变差。这说明在一定的范围内增加低折射率层和模式扩展层中Al组分差,即提高两者的折射率差,可以降低激光器的发散角和限制因子,需要注意的是器件阈值电流密度会迅速增大。

3. 结论

本文研究了模式扩展层和低折射率层对激光器的垂直发散角及阈值电流密度的影响。基于模式扩展层结构,在扩展波导和中心波导层之间加入一个低折射率层,利用Crosslight软件对半导体激光器特性进行模拟仿真,优化了新结构低折射率层和扩展波导层的厚度以及Al组分,设计出一种新型的小发散角、低阈值电流密度的半导体激光器结构。结果表明:新结构比普通的模式扩展层结构有更小的垂直发散角,低折射率层和模式扩展层保持适度的折射率差可以有效降低激光器的远场发散角。当新结构模式扩展层材料为Al0.35Ga0.65As,低折射率层材料为Al0.5Ga0.5As,厚度均为0.4 μm时,激光器垂直发散角降低到17˚,此时阈值电流密度为257 A/cm2;而当低折射率层厚度为0.6 μm,模式扩展层厚度为0.3 μm时,激光器垂直发散角降低到18˚,且器件具有更低的阈值电流密度173 A/cm2

基金项目

海南省自然科学基金(2018CXTD336, 618MS055, 618QN241)资助。

NOTES

*通讯作者。

文章引用:
曾丽娜, 李林, 李再金, 赵志斌, 曲轶, 彭鸿雁. 基于模式扩展层结构的980 nm小发散角半导体激光器模拟研究[J]. 现代物理, 2018, 8(6): 265-270. https://doi.org/10.12677/MP.2018.86029

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