前沿进展 | 新型波导侧壁光栅低噪声半导体量子点DFB激光器

Original 两万人都爱光学 2023-04-28

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01 导读

中山大学电子与信息工程学院、光电材料与技术国家重点实验室喻颖、余思远课题组提出一种新型波导侧壁介质光栅选模结构，首次将光栅的设计制备与化合物半导体材料外延以及波导加工工艺分离，为研制新一代超高性能DFB和DBR激光器提供了高度创新且可靠的方案；将该新型光栅与自主外延生长的高性能砷化铟/砷化镓（InAs/GaAs）量子点增益材料相结合，实现了高边模抑制比、低相对强度噪声、强抗光反馈能力的1310 nm波段量子点DFB激光器及其多波长阵列。相关成果以“High performance distributed feedback quantum dot lasers with laterally coupled dielectric gratings”为题，于04月29日在线发表于Photonics Research上。2022 | 前沿进展

02 研究背景

具有窄线宽、低噪声并对光反馈具有强耐受能力的高性能半导体激光器是光通信、激光雷达、光传感以及量子技术等应用领域重要核心器件。利用布拉格光栅对半导体激光器的工作波长进行选择的分布式反馈（DFB）或分布式布拉格反射镜（DBR）结构是获得高性能单纵模半导体激光器的重要方法。现有的磷化铟（InP）基光通信波段DFB激光器一般采用将光栅嵌入有源层上方附近的掩埋型结构，需要采用二次掩埋外延工艺对光栅进行覆盖。二次掩埋外延工艺比较适于金属有机化合物气相化学沉积（MOCVD），对于主要采用分子束外延（MBE）的较短波长砷化镓（GaAs）及较长波长锑化镓（GaSb）基激光器工艺不易兼容，对覆盖层的材料要求也比较苛刻。

03 研究创新点

为了应对这一挑战，研究团队提出了采用低损耗非晶硅介质作为光栅材料的新型波导侧壁光栅 DFB 激光器方案[图1(a) ]。通过优化光栅设计和加工工艺，实现了高稳定性和重复性的反馈选模[光栅形貌如图1(b)所示]。将该新型光栅与实验室MBE外延生长的高性能InAs/GaAs量子点增益材料相结合，实现了输出功率达 26.6 mW的1310 nm波段电泵浦室温连续工作量子点DFB激光器，并进一步成功研制了符合LWDM波长分布的激光器阵列[图1(d)]。

图1 (a)非晶硅侧壁耦合光栅结构示意图，(b)非晶硅光栅SEM俯视图，(c)脊宽为2.1 μm，腔长为1.5 mm激光器的IPV曲线，(d) 室温 100 mA 注入电流下LWDM激光器阵列光谱，(e)室温不同注入电流下激光器相对强度噪声曲线，(f) 不同注入电流下 5 GHz 频率的相对强度噪声与反馈强度关系曲线，插图为注入电流为4 倍阈值时不同反馈强度下的光谱变化新型光栅高稳定的耦合反馈系数使得激光器能够在连续变电流条件下单纵模激射，具有极高的单模成品率，80 mA注入电流下边模抑制比达 52.7 dB。半导体自组织量子点对载流子的三维限制作用以及极小的线宽增强因子，与新型光栅的高品质单模特性相结合，使得该新型DFB激光器展示出高温度稳定性，在高电流注入下实验测得了低于165 dB/Hz 的超低相对强度噪声[图1(e)]，以及大于12.5 dB（5.9%）抗光反馈能力[图1(f)]。

04 总结与展望

本项工作通过将介质光栅结构置于波导侧壁，首次将光栅制作与半导体激光器材料外延生长及波导制备过程分离，实现了具有最低的相对强度噪声的高性能半导体量子点DFB激光器。这一新技术无需二次外延，不仅可以基于低成本激光器外延片研制高性能DFB、DBR激光器，在实现高成品率的同时降低成本，还具有极高的工艺兼容性：通过选择对激射波长透明的介质光栅材料，可适用于不同波段的半导体激光器，从而为基于一个技术平台、面向多个应用领域研制多个不同波长的高性能半导体激光器打开了大门，可能对传统的半导体激光器生产方式产生颠覆性影响。

中山大学博士研究生杨灼辉为第一作者，喻颖副教授和余思远教授为共同通讯作者。该工作得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、广东省重点研发项目、广州市重点研发项目、广东省珠江人才计划本土创新科研团队项目以及中山大学光电材料与技术国家重点实验室等的大力支持。

论文链接：https://www.researching.cn/articles/OJ74bc161dd57d8125推荐阅读：