高速直接调制激光器的研究进展

光器， 调制带宽为 /7 839， 该结构中宽的接触焊盘 使阻抗降低， 厚的掺 :’ 的 456 掩埋层使容抗减小 ! 一个薄的 &’ 456 层生长在有源区周围的掩埋层上 面， 可以阻止在 $ 包层生长过程中 ;5 扩散进入掺 减小了泄露电流， 保持低的阈值电流 ! :’ 层， （/）平面脊波导结构 458<=> 材料系激光器， 最 大带宽 ?) 839 ! 因为没有 0123 中的宽的接触层， 这种结构的阻抗较大， 并且 6@ 结的侧向电流被限 制在一个较宽的区域会引起其它阻抗 ! 可以通过保 持掺杂浓度高， 侧向路径尽可能短， 使阻抗与有垂直 电流流过的 6A$A@ 结构的阻抗相当 ! 一种简单的理想的高频结构是聚酰亚胺填充的 脊波导激光器， 这种结构具有 0123 中的低阻抗、 低 容抗的优点， 但还是有寄生因素， 使其带宽限制为 其脊结构可以得到最低 -) 839 ! 对于 8<=> 激光器， 的寄生参数 ! （-）为限制台面激光器， 实验证明 456 激光器的 带宽在 /) 839 以上 ! 其底部的有源区对电流和光的 限制作用很好， 厚的聚酰亚胺层可以提供低容抗 ! （?）半绝缘掩埋新月形激光器 （ B420） ! 据报道 工作在 ( ! - $ + 的体材料有源区的 B420 结构激光器 的带宽可达 // 839 ! 此结构的激光器采用在掺 :’ 的 然后在沟中生 456 的区域刻蚀出新月形沟的结构， 长有源区 ! 在金属电极的下面填充有厚的聚酰亚胺， 使得激光器的寄生容抗降至大约 ( C:! 减小激光器的寄生电容除了在结构上改善外， 还可以采用质子注入的方法， 质子注入可以提高限 制层对电流的限制作用， 并减小限制层的寄生电容， 它使 C5C5 结构的势垒电容明显减小 ! / ! / ! - 分散微波效应 在非常高的频率下， 微波效应比寄生参量的影 响更为显著 ! 这与高频电路中的微波效应相同 ! 在很 高频率下激励激光器的调制电流沿激光器波导传输 时， 幅度和相位上的变化不一致 ! 在这种情况下分散 微波影响改变了高频电流注入和光调制响应 ! 设激 光器腔长为微波调制信号波长的 ( D ?， 频率与腔长 相 的对应关系为 ( ( " " ? ( ) " ? * % 在频率为 ?) 839， 那么要避免分散 速度 ) ! ( " 时， + 以下， " " ? 为 /)) $ 微波效应就要采用 ()) $ + 左右的短腔结构 ! 更高的 频率就要有更短的腔长 ! 微带激光器是一种减小微波效应的好的方法 ! 它 与微波电路的微带线相似， 因为高频电流在 $ 包
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"&&$ 年 第 $ 期 （总第 !"$ 期）
光通信研究
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高速直接调制激光器的研究进展
曹 丽! ， 江 山! ， 王定理! ， 叶 磊"
$%&&’$） （! # 武汉光迅科技有限责任公司， 湖北 武汉 湖北 武汉 $%&&’$； " # 武汉邮电科学研究院， 摘要： 高速直接调制半导体激光器， 是目前城域网和高速以太网的关键器件 # 文章综述了影响高速半导体激光器的调制带宽 的各种因素， 并探讨了目前所实现的提高半导体激光器调制带宽的各种方法 # 关键词： 直接调制； 量子点； 应变；! 掺杂； 寄生参量 文献标识码： 文章编号： （"&&$） 中图分类号： ()*!$ + !&&, - *’** &$ - &&.! - &%
收稿日期： "&&$G&"G&,
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直接调制激光器的设计方法与进展
有源区 根据有源区的小信号速率方程 # ?" % " ・ ・ (（ *， $ : " ) " >1） ?# &’ 2 !A （!）
?* * （"） * ) ， $ (（ : " ) " >1） ?# !H 式中，" 为电子密度； * 为光子密度； % 为注入电流 密度； ’ 2 为有源区厚度； !A 为电子的自发发射复合 寿命； ( : 为微分增益； " >1 为使介质 !H 为光子寿命； 达 到透明所需粒子数反转的浓度 # 求解速率方程得
作者简介： 曹丽 （!S*& - ） ， 女， 湖北仙桃人， 硕士， 主要研究方向为半导体激光器的动态特性测试技术 #
万方数据
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光通信研究
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第,期
总第 !%, 期
调制响应为 （!# ）$ !"
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更窄， 从而使增益谱宽比量子阱结构更窄； 并且室温 * # !$ %（ & ! ’ () "） % ’!& ’"( % ’! * # ! $ % * # ! $ ’") （*） 下， 量子点的电子和空穴占据的态耦合进激发模式 的几率更大， 所以量子点可以有更大的微分增益 + 但是， 所报道的 67 激光器的调制性能并没有 优于量子阱激光器 + 有两个主要原因： ! 67 的随机 分布导致增益谱的不均匀展宽， 使光增益和微分增 益减小 + " 被限制的空穴的能量间隔太小 + 现在经 ， （,） 证明，/ 掺杂可以使空穴的能量间隔展宽 + 经计算， 在 / 掺杂情况下如果将不均匀线宽减为 !$ &8， 激 光器的本征带宽可达 2$ 345 + % + % 非有源区 % + % + ! 波导结构 谐振频率可以有以下几种表达式
通信网络正不断向更高速的方向发展， 而激光 器的带宽却受到了严重的限制 # 所以发展高调制带 宽的高速激光器受到广泛关注 # 直接调制激光器由 于结构简单、 经济和容易实现等优点， 在实际应用中 占有重要的地位 #
带 宽 最 高 为 $& OFR 左 右 # UA203C9C5A 学 校 报 道 的 $& OFR带宽的激光器采用的是有源区非掺杂的具有 其相同结构 $ 个应变 B3& # %, O2& # ., +; 量子阱的结构， 的 ! 掺杂的激光器带宽为 %’ OFR， 带宽降低的原因 主要是有源区发热 # 归纳起来， 影响激光器调制带宽的根本因素是 有源区的特性， 但非有源区因素， 包括激光器的波导 属性、 微波信号传输、 寄生参量的大小、 功率损耗和 器件发热等， 对带宽的限制作用也很大 # 本文讨论了激光器芯片的弛豫振荡频率和提高 弛豫振荡频率的几种方法， 以及寄生参量、 微波效 应、 功率损耗和发热产生的原因以及对应的解决方 法方面的进展 #
图!
体材料、 非应变量子阱、 应变量子阱 及 / 掺杂应变量子阱有源区激光器 的调制曲线
杂接触层之间的接触阻抗 + 大多数半导体激光器采 用与 3"BC 衬底匹配的高掺杂的 3"BC 层， 或是和 /01 衬底格匹配的高掺杂 /03"BC 层， 它们的接触阻抗都 较小 + " 接触层和包层之间的异质结阻抗 + 可通过 减小接触层和包层之间的半导体成分， 从而减小阻 止空穴通过的障碍使之减小 + # 第 * 个阻抗来源为
" % " 9: 0 # 1$ !$ ! ， $ $ 0 # 1 $# 2 $ 34 "" ") ( ) （2）
式中， 符号含义与前面相同， %为 $2 为内量子效率； 光限制因子； " 9: 为阈值电流 + 根据 （2） 式， 高速激光器一般应有高的端面反 射， 因为端面反射率较低时， 要通过增加腔长来降低 阈值电流和提高微分增益， 而腔长增加会使光子寿 命提高， 降低谐振频率 + 而大的光子密度是提高谐振 频率的另一条件， 所以光波在平行和垂直有源区的 方向都必须被限制在较窄的区域 + 在平行有源区方 向， 脊波导结构可以对光波模场起到很好的限制作 用， 因为其周围是空气或低折射率的绝缘材料 （如 1;<=’&’>?） + 在垂直方向要使有源区和包层材料的折 射率差很大才能对光波模起到限制作用 + 要考虑的 第 * 个问题是使激光器工作在基模状态下， 因为高 阶侧模占据了腔内的部分光子密度， 会使谐振频率 降低 + % + % + % 寄生参量 器件的寄生参数包括： 寄生电阻 @、 寄生电容 A 和寄生电感 + 其中， 电感参量主要是由电极的引线引 起的， 粗短的线可以减小电感 + 另外， 由于带宽通常被 @A 时间常数限制， 因此 增大调制带宽必须减小串联电阻并会限制带宽 + 阻抗： 串联电阻的来源有： ! 金属电极和高掺
一种新型的量子点 （ 67） 激光器比量子阱激光 器有更高的微分增益 + 在高速调制上有更大的潜力 + 它的离散的能量分布使它的室温下的自发辐射线宽 2%
万方数据
曹
丽 等： 高速直接调制激光器的研究进展
包层阻抗 ! 该阻抗可表达为!! " " # #$%&’， ! 为 $ 掺杂包 层的电阻率； # #$%&’ 为电流流过的有 ! " 为包层厚度； 效面积 % 因为太薄的包层会导致光波扩散到高掺杂 的接触层和金属层， 导致很大的内部损耗， 所以 ! " 不能太小， 而包层的掺杂必须在 ()(* "+ , - 以下， 以 使光损耗不至太大 ! 容抗： 影响容抗的主要因素有： ! 有源区面积 的大小；" 绝缘层或二次外延掩埋区的影响； #焊 盘面积的大小 ! ・ 有源区面积的影响由分散电容和导电系数决 定 ! 在前向偏置激光器中， 容抗直接和载流子的寿命 有关， 这一影响在速率方程中已经考虑了， 现在不再 考虑 ! ・ 绝缘层及二次外延区表面的金属化 ! 高速激 光器的脊宽一般在 $ 为了连接和探测， 需要 + 量级， 有更宽的金属电极 ! 包层的金属通常 () . /) $ + 宽， 大部分在绝缘或再生层， 因为脊结构被绝缘材料包 围， 所以减小容抗的关键是要有低的绝缘常数和有 厚的绝缘层， 聚酰亚胺通常用来满足这种需要 ! ・ 焊盘的容抗与包层的金属化的容抗性质相 同， 只是增加了一个与焊盘面积有关的容抗 ! 下面比较了几种激光器的结构， 如图 / 所示 !
（.） !( $（ * # ! $ ’")） 它决定了激光器可达 !( 为有源区材料的本征带宽， （.）可知， 要增加 !(， 必 到的最高调制频率 + 而由式 须增加微分增益系数 * #， 降低光子寿命") 并使器件
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尽可能工作在光子密度高的状态 + 应变量子阱结构和 / 掺杂可以提高激光器的微 分增益， 从而提高其调制带宽 + 在量子阱结构中引入应变， 打破了重空穴带和 轻空穴带的简并， 使价带曲率变大， 从而使微分增益 提高；/ 掺杂使空穴浓度增大， 使空穴准费米能级向 带边靠拢， 提高微分增益 + 但是，/ 掺杂比非掺杂激 光器有更大的阈值电流 + 阈值电流的升高会引起发 热导致输出功率饱和而限制带宽 + 图 ! 为 , 种不同有源区的调制响应曲线， 除有 源区属性外， 激光器工作条件和器件结构上都相同 + 可见， 体材料、 非应变量子阱、 应变量子阱及 / 掺杂 应变量子阱的性能是逐渐优化的 + 在 /01 材料系激 光器中， 所报道的最高带宽为 %2 345 的激光器即为 采用 / 掺杂有源区的应变量子阱结构 +
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式中，! $ 为光子密度稳态值 + 频响曲线在弛豫振荡 频率 !& $ !( 处表现为峰值， 在 !( 以上响应急剧下 降 + 峰值频率的表达式为
Baidu Nhomakorabea
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发展回顾
"& 世纪 *& 年代体材料激光器发展迅速 # O2+; 激光器通过减小 <PQ （腔面灾变损） 的功率阈值、 寄 生电容， 使调制带宽达到了 !" OFR # B3D 激光器的带 宽也 通 过 填 充 低 介 电 常 数 的 聚 酰 亚 胺 （ D96I7E7?5） 层、 采用 半 绝 缘 体 掩 埋 有 源 区 而 进 一 步 提 高 到 了 其同质结有源区的掩埋脊波导结构激光器， !S OFR； 也因为采用厚的电流限制层使调制带宽最大可达到 "" OFR # 到 S& 年代早期， <9A3566 的 =5;>5A 等人用折射 率恒定的分别限制异质结 （ T<F） 结构代替渐变折射 率异质结 （ O@B)GT<F） 结构， 做出了调制带宽为 "* OFR 的 ! 掺杂应变量子阱激光器 # 然而长波长 B3O2+;D 材料体系激光器的发展却 遇到了一些问题 # ! 掺杂应变量子阱激光器的本征 带宽在 $& OFR 以上， 但因受到器件寄生参量的制 约， 实际带宽只有 ". OFR # 非掺杂应变 QUV 结构的 本征带宽也证明可达到 .* OFR， 由于同样的原因实 际制作出的激光器调制带宽仅有 !. # , OFR # 直到目前为止， 直接调制半导体激光器的调制