中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院、光電材料與技術(shù)國家重點實驗室喻穎、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的高性能砷化銦/砷化鎵（InAs/GaAs）量子點增益材料相結(jié)合，實現(xiàn)了高邊模抑制比、低相對強(qiáng)度噪聲、強(qiáng)抗光反饋能力的1310 nm波段量子點DFB激光器及其多波長陣列。
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。利用布拉格光柵對半導(dǎo)體激光器的工作波長進(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），對于主要采用分子束外延（MBE）的較短波長砷化鎵（GaAs）及較長波長銻化鎵（GaSb）基激光器工藝不易兼容，對覆蓋層的材料要求也比較苛刻。
研究創(chuàng)新點
為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊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) ]。通過優(yōu)化光柵設(shè)計和加工工藝，實現(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]。
將該新型光柵與實驗室MBE外延生長的高性能InAs/GaAs量子點增益材料相結(jié)合，實現(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DFB激光器，并進(jìn)一步成功研制了符合LWDM波長分布的激光器陣列[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強(qiáng)度噪聲曲線，(f) 不同注入電流下 5 GHz 頻率的相對強(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)體自組織量子點對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，在高電流注入下實驗測得了低于165 dB/Hz 的超低相對強(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
本項工作通過將介質(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及波導(dǎo)制備過程分離，實現(xiàn)了具有最低的相對強(qiáng)度噪聲的高性能半導(dǎo)體量子點DFB激光器。
這一新技術(shù)無需二次外延，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，在實現(xiàn)高成品率的同時降低成本，還具有極高的工藝兼容性：通過選擇對激射波長透明的介質(zhì)光柵材料，可適用于不同波段的半導(dǎo)體激光器，從而為基于一個技術(shù)平臺、面向多個應(yīng)用領(lǐng)域研制多個不同波長的高性能半導(dǎo)體激光器打開了大門，可能對傳統(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。該工作得到國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金項目、廣東省重點研發(fā)項目、廣州市重點研發(fā)項目、廣東省珠江人才計劃本土創(chuàng)新科研團(tuán)隊項目以及中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國家重點實驗室等的大力支持。
論文鏈接：
https://www.researching.cn/articles/OJ74bc161dd57d8125
（來源：愛光學(xué)）
