技术分享 | DFB激光器高频特性实验研究

引言

随着智能手机，大数据存储和全球化云计算的快速发展，使数据中心带宽容量呈现爆炸式的增长。同时，5G网络建设的大规模启动，对光模块的需求变得更加迫切。为了满足要求，信号传输的光模块需要更高的调制速率以及更宽的工作温度范围。目前，国内外针对多量子阱DFB直调激光器的研究已经取得很多成果，但是针对张应变多量子阱DFB激光器的研究比较少。本文采用AlGaInAs InP多量子阱材料体系，有源层引入多量子阱张应变，设计并制备了脊波导结构的激光器芯片。设计激光器波长失谐量、优化芯片腔长，实现DFB激光器在宽温度范围内工作，提高了小信号频率响应带宽f_3dB，且在宽温度范围内f_3dB的变化率较小。

1 器件设计和制作   

半导体激光器中有源层的势阱层内引入多量子阱张应变量，势垒层中引入压应变，有效改进激光器高速调制特性。为了进一步提高激光器高温特性，优化设计光栅激射波长和材料增益波长的失谐量。适当选择光栅激射波长相对材料增益波长的负失谐量，既要考虑激光器调制速率的提高，同时兼顾激光器全温度范围内的工作特性。适当的负失谐量有利于提高张弛震荡频率，但是激光器激射波长偏离材料增益波长太远，导致激光器的高温特性失效。我们设计在温度25℃下，失谐量是-5nm。减小腔长是提高DFB激光器高频带宽的一种有效方法，但是芯片电阻的增加以及自身热效应会引起芯片有源区温度升高，进而抑制DFB激光器频率响应带宽。

 

      DFB激光器芯片外延结构如图1所示。InP衬底上生长100nm N-InP光栅过渡层以及35nm N-InGaAsP光栅层；有源区选用6对量子阱垒结构，阱层为9.2nm厚的AlGaInAs，张应变为-1.14%，垒层为15nm厚的AlGaInAs，压应变为58%。有源层两侧分别是具有折射率剃度的上下波导层, 然后在上波导层上面生长载流子阻挡层以及脊波导结构刻蚀终止层。光栅层厚度为35nm，刻蚀终止层厚度为23nm。采用脊波导结构制作激光器芯片，脊宽度为2um，芯片端面高反射（High-Reflective Coating, AR）反射率为90～97%，增透膜透过率为0.1～1%，然后通过解离机将Bar条解离为单个芯片，最后进行芯片参数性能测试。

2 实验结果与分析

 

 

2.1 激光器芯片的小信号频带响应特性

根据速率方程，驰豫振荡频率表达式为：

 

S₀光子密度，微分增益，ε增益饱和系数，光子寿命时间。缩短半导体激光器芯片腔长可以减小光子寿命时间，提高激光器的驰豫振荡频率f_r，光子寿命时间表达式为：

 

n_r等效折射率，α₁内部损耗，R ₁R ₂光栅前后端面反射率总和，L为芯片腔长。由此可见，芯片腔长与激光器频率调制带宽是反比关系。将DFB激光器芯片贴装在高速过度热沉上，使用微波探针加载信号在芯片上，通过矢量网络分析仪MS4645B测试小信号调制特性。DFB激光器芯片腔长L为200um，170um，150um条件下，小信号频率响应带宽f_3dB随温度的变化趋势，如图2所示。在驱动电流70mA，温度25℃时，f_3dB随腔长减小而增加，但是DFB激光器芯片温度上升到85℃，腔长L为200um、170um DFB激光器芯片的f_3dB随温度升高而递减，变化率约是18％，而腔长L为150um DFB激光器f_3dB却急剧递减，呈现非线性变化趋势，递减变化率约约是长腔长激光器的2倍，这与理论分析存在差异。主要原因是，高温工作条件下短腔长激光器芯片有源区结温更高，抑制了激光器带宽f_3dB。

 

2.2 腔长L为170um DFB激光器芯片小信号频带响应特性

在温度25℃，85℃，95℃时，DFB激光器芯片小信号频率响应S21特性曲线，如图3。从测试结果可得，激光器的工作偏置电流越高，驰豫振荡频率向更高频率移动。在温度25℃，85℃，95℃，当偏置电流为70mA，DFB激光器的调制带宽f_3dB分别达到19.6GHz，17.4GHz，16GHz。在温度25～85℃范围内，f_3dB随温度升高而递减变化率分别约是11％，优于已有文献报道的13％，同时分析了在温度25-95℃范围内，f_3dB随温度升高而递减变化率分别约是18％。

 

2.3 腔长L为170um DFB激光器芯片的光电特性

25℃时，芯片典型电阻为6W。在温度25℃，85℃，95℃，CW测试条件下，DFB激光器芯片典型阈值电流依次是6.3mA，11.0mA，14.2mA，斜率效应Se分别是0.45W/A，0.37W/A，0.35W/A。工作温度-45℃～105℃范围内，DFB激光器的光电特性如图4所示。电流I=70mA，全温度范围内DFB激光器的边摸抑制比（SMSR）均大于45dB，且温度25℃时，激光器激射失谐量约是-7nm。

 

3 结语

本文分析了AlGaInAsInP张应变多量子阱DFB激光器的小信号频率响应带宽和光电特性。设计优化DFB激光器的芯片结构，分析不同温度下，芯片腔长对小信号频率带宽的影响。优化激光器腔长，提高激光器f_3dB，且温度引起f_3dB变化率小，最后实现高温95℃，f_3dB达到16GHz＠70mA，且温度25℃～85℃和25℃～95℃工作范围内，DFB激光器f_3dB随温度升高变化率分别是11％和18％。

 

【作  者】 赵开梅;段利华;彭芳草;熊煜;张靖;周帅

【来源期刊】 电子元器件与信息技术

 

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