AlGaInAs/InP高线性半导体激光器设计与性能分析

摘要

本文基于国家“863”项目，针对“高线性半导体激光器”课题，为了优化适用于长距离光纤通讯系统的1.31μm 波长的量子阱激光器，使用ALDS仿真对量子阱个数、势阱区厚度和势垒区厚度进行了优化分析；为了克服微电子技术与光电子技术结合过程中，Si 与 InP 晶格失配引起的失配位错、穿透位错以及反相畴等问题，采用在Si衬底上刻蚀沟槽，外延生长InP缓冲层的方法，设计了AlGaInAs大功率激光器；为了解决激光器芯片中容易出现的大电容问题，采用跳过缓冲层，直接在芯片工作层设置电流区的方式，减少电流阻力，以此达到降低电容的目的，获得高质量芯片；最后通过对成品芯片频响带宽、阈值电流、光电特性参数以及非线性失真度的测量得出，所设计激光器芯片各项参数达到项目指标要求。 在量子阱个数选取上，通过理论分析得知，阱的数目过多会增加有源区的厚度，进而导致电流阻力增大，降低芯片质量；阱的数目过少，其限制电子的能力就会变弱，进而减少了辐射复合，使芯片无法达到一定的功率。通过ALDS模拟芯片结构，分析其光电特性参数，得出最优阱数为10。 在势垒层与势阱层厚度的选取上，研究了势阱区厚度和势垒区厚度对激光器发光效率的影响。通过对比不同势阱层与势垒层厚度下激光器的各项输出参数，得出仿真结果，势阱区厚度为5nm、势垒区厚度为10nm时，激光器芯片输出功率达到最大值，阈值电流获得最低值13.9mA，边模抑制比达到最高值35.76dB，激光器的发光效率达到最优。 在激光器缓冲层结构设计上，为了克服微电子技术与光电子技术结合过程中，Si与InP晶格失配引起的失配位错、穿透位错以及反相畴等问题，在Si基底上刻蚀出沟槽，并设计外延生长了六层不同的InP缓冲层，采用Si 沟槽衬底、高深宽比限制和低温低压生长多层 InP 缓冲层的方法，有效解决了Si与InP材料晶格失配引起的位错等问题，并控制了反相畴在垂直方向上向外延层的延伸。 针对现有技术中高速量子阱激光器容易产生大电容，从而影响频谱特性的问题，本文在使用MOCVD材料外延生长工艺基础上，为了抑制现有技术中出现的电容过高问题，采用跳过缓冲层，直接在芯片工作层设置电流区的方式，减少电流阻力，以此达到降低电容的目的。 本文分别对激光器阵列芯片中 4 个成品激光器芯片进行了性能测试，通过测试仪器对其进行频响带宽、阈值电流、光输出功率、中心波长、边模抑制比、PIV曲线、斜率效率以及非线性失真度等的测量，激光器阵列芯片的各项性能参数都符合项目指标要求。

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