用于LiDAR測量的1.58um單芯片MOPA(一)

1.簡介

如今，人們對高功率半導體器件的興趣日益濃厚，這些器件主要用于遙測、激光雷達系統或自由空間通信等應用。與固態(tài)激光器相比，半導體器件更緊湊且功耗更低，這在低功率供電環(huán)境（如飛機或衛(wèi)星）應用中非常重要。在800-1200 nm范圍內，對于集成和自由空間主振蕩器功率放大器（MOPA）[1]-[3]，人們已經做了大量研究工作。對1.5 μm唯一商用的MOPA來自QPC [4]，其光纖輸出功率約為700mW，線寬為500 kHz。在本文中，第一部分我們首先給出了我們的模擬仿真結果，在第二部分，我們給出了1.58 μm MOPA的芯片垂直和水平結構設計，第三部份我們介紹了MOPA器件的制造，最后，第四部分我們展示了該MOPA器件的光學和電氣測量結果。

2.器件仿真

A.MOPA架構

MOPA至少包括一個激光器和一個放大器。在FP7 Britespace項目中，我們開發(fā)了一個由分布式反饋激光器（DFB）、調制器和半導體光放大器（SOA）三部分組成的集成MOPA[5]。

其中DFB為窄線寬單模激光器，我們已經開發(fā)了這款DFB，其輸出功率>150 mW，光線寬優(yōu)于300 kHz [6]。

調制部分需要具有15 Mbit/s的調制帶寬和10 dB消光比，我們使用 SOA的增益調制特性就可以實現，與電吸收調制器（EAM）相比，EAM需要特殊的材料（光致發(fā)光峰與激光有源區(qū)相比發(fā)生偏移），我們不需要任何特定的SOA有源區(qū)。

MOPA的最大輸出功率將由 SOA 的飽和功率決定，為了獲得盡可能大的輸出功率，我們使用喇叭形 SOA。事實上，擴大有源區(qū)可以降低功率密度并增加最大輸出功率[7]。

單芯片MOPA的最簡單實現方式是將不同的單元部分沿直線順序排布，如圖1a所示[4][8]。這種方式結構簡單，但端面反射（即使使用抗反射涂層）以及單元之間的反射較大，這會帶來多腔效應，對DFB激光器產生干擾，這些影響在[8]中進行了詳細討論。

為了減少端面反射，一種改進的方法是使波導傾斜，如圖1b[9]，這在 SOA中非常常見的結構，缺點是由于傾斜，難以在DFB背面端面上制作有效的高反射涂層。

另一個方法是使用曲波導結構，如圖1c[10]，這個結構中，DFB 激光器是直的，調制部分是彎曲的，喇叭形 SOA 是傾斜的，該結構既減少了SOA端面反射，也使得 DFB背面涂層可更好的控制。缺點是彎曲造成的損失有不確定性。

圖1. 三種結構：a直MOPA, b斜MOPA, c曲MOPA

B.腔的本征模

在1.55μm處，磷化銦InP半導體結構中的主要損耗是由于P摻雜層中的價帶間吸收 IVBA 造成的。為了提高光功率，需要減少限制，即光學模式與給定表面之間的重疊，以及有損的p摻雜層。麻省理工學院林肯實驗室在各種發(fā)射波長下開發(fā)的一種創(chuàng)新方法包括使用不對稱包層結構[7]：在有源區(qū)和襯底之間插入一層平板層，可以吸引光學模式并將其從p摻雜層中帶走。這種結構被稱為板耦合光波導SCOW。板層的折射率介于有源區(qū)折射率和襯底折射率之間。圖2a顯示了具有標準垂直結構的InP半導體腔的光學模式，該光學模式以量子阱QW為中心，用虛線表示，并均勻分布在p摻雜的InP層和n摻雜的InP層之間。圖2b顯示了具有板層結構（不對稱包層結構）的腔的光學模式。在這種情況下，光學模式不再以有源區(qū)為中心，而是在有源區(qū)域下方。光學模式主要分布在n摻雜的板層上，只有一小部分模式分布在p摻雜層上。

圖 2. （a）無板結構的光學本征模態(tài)，（b）板厚為 2μm結構的光學本征模態(tài)。

表1給出了用自編計算光學模式軟件使用的相應光學參數。我們清楚地看到了 2 μm 厚板層的影響：QW 的限制因子ΓQW除以 3.5，對 p 摻雜 InP 的限制因子（Γp-InP） 除以 6。與p摻雜層的大量重疊減少是光學損耗降低的原因。QWs約束的減少將導致結構模態(tài)增益的降低：既要確保在腔模擬階段與QWs有足夠的重疊，以保持足夠的模態(tài)增益，又要使用長腔。不對稱包層結構允許擴大光學本征模態(tài)：我們可以看到這種對垂直發(fā)散角影響（表1）。這一點非常重要，因為大的光學模式相當于具有低發(fā)散度的光束，這有利于更好的耦合效率。

表1.模擬標準結構和不對稱包層結構的光學參數。

對于不對稱的包層結構，板層材料的選擇非常重要，主要是折射率影響。我們在圖 3 中看到，板層折射率的變化對空特性模態(tài)的強烈影響。當板層折射率為3.20時，本征模態(tài)以有源區(qū)為中心，板層對本征模態(tài)的影響很小，如圖3a。當板層折射率增加到3.25時，本征模態(tài)被板層增大并強烈變形，如圖3b。對于較高的板透光折射率（n = 3.31），本征模態(tài)位于板層的中心，光學模態(tài)沒有很好地限制，如圖3c。

圖 3.用于使用 3 種不同板層的光學本征模態(tài)。

板層折射率需要介于有源區(qū)折射率（nAZ≈ 3.5）和襯底折射率（nInP= 3.16）之間。板層的實現有兩種方案：方案1，使用體材料。例如，它可以是具有適當光致發(fā)光峰的InGaAsP材料[7][11]。圖2和圖3中繪制的所有本征模態(tài)仿真都是針對具有板層的結構進行的。這種解決方案的缺點是，我們需要在外延中開發(fā)一種具有所需折射率的特定材料，例如InGaAsP四元材料，這導致了大量的外延校準和測試，另一個缺點是四元材料的導熱性能較差，這不適用于高功率器件。方案2：用“稀釋”材料代替體材料[6]，它由多種材料（通常為兩種材料）的薄層組成，“稀釋”材料的折射率是各種材料指標的平均值乘其厚度加權，如圖 4a。這種解決方案的優(yōu)點在于，由于可以使用InP等標準材料和勢壘材料來制作板層，而無需開發(fā)四元材料，還可以通過修改層的相對厚度來調整板層折射率，它可以更靈活的設計垂直結構。這一點在圖4b和4c中得到了證明，我們繪制了兩種結構的光學模式，這些結構的總板厚度相同，但InP和InGaAsP的相對厚度不同。在圖4b中，對于給定的結構，模式位于有源區(qū)正下方的中心位置。在圖4c中，我們保持了板層的總厚度，但我們增加了InGaAsP層的厚度，并減少了InP層的厚度。這導致了平均板層折射率的增加，因為InGaAsP的指數高于InP。我們可以注意到，本征模已經移動到底部，現在位于板的中間，因為它被較高的板層折射率所吸引。

圖 4. （a）“稀釋”板層的原理。（b）（c）2種外延結構的光學本征模態(tài)，板厚相同,但InP/InGaAsP厚度不同。

C.彎曲仿真

MOPA架構中彎曲部分（調制部分）位于在直DFB激光器和傾斜SOA之間。調制器曲率半徑由截面的長度和喇叭形 SOA的傾斜度確定（ 7°）。由于與彎曲的輸入相比，彎曲的輸出是傾斜的，因此很難直接仿真彎曲。一種方法是仿真 S 形彎曲：在這種情況下，輸入和輸出之間沒有傾斜。我們使用 Beamprop 軟件仿真了在不同長度下由 S 彎曲引起的傳播損耗。結果總結在表2和圖5中。發(fā)射模式是直線截面的本征模態(tài)。對于每種配置，左側的仿真表示光學模式在 XZ 平面中的傳播（Y 位置是有源區(qū)）。右邊的曲線是傳播模式和本征模態(tài)之間的重疊。

圖5a是1 mm長的直線截面中本征模態(tài)傳播的仿真圖。傳播沒有任何傳播損失，這意味著我們的本征模態(tài)計算是正確的。圖 5b-d 是不同長度（1.0、1.4 和 2.0 mm）的 S 形彎的曲線圖。對于 1mm 長的S形彎管，損耗4.56dB，在圖 5b 中可以看到彎曲部分的光功率泄漏。對于 2 mm 長的 S 形彎曲，光學損耗低于1dB，如圖 5d。在我們設計的曲 MOPA 架構中，我們只有半個 S 形彎曲，使用1mm長的彎曲調制器時，傳播損耗應約為0.5dB。

圖 5.在不同波導上的傳播的光學模式（a）直，（b）1 mm 長S 彎，（c）1.4 mm 長S 彎，（d） 2 mm 長S 彎。

表2.各種 S 彎曲長度的傳播、傳輸和損耗。

--未完待續(xù)--

[1] S. O’Brien, R. Lang, R. Parke, J. Major, D. F. Welch, and D. Mehuys, “2.2-W Continuous-Wave Diffraction-Limited Monothically Integrated Master Oscillator Power Amplifier at 854 nm,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 9, no. 9, pp. 440-442, Apr., 1997.

[2] S. O’Brien, A. Schoenfelder, and R. J. Lang, “5-W CW Diffraction-Limited InGaAs Broad-Area Flared Amplifier at 970 nm,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 9, no. 9, pp. 1217-1219, Sep., 1997.

[3] S. Spie?berger, M. Schiemangk, A. Sahm, A. Wicht, H. Wenzel, A. Peters, G. Erbert, and G. Tr?nkle, “Micro-integrated 1 Watt semiconductor laser system with a linewidth of 3.6 kHz,” Opt. Express., vol. 19, no. 8, pp. 7077–7083, Apr. 2011.

[4] M. L. Osowski, Y. Gewirtz, R. M. Lammert, S. W. Oh, C. Panja, V. C. Elarde, L. Vaissié, F. D. Patel, and J. E. Ungar, “High-power semiconductor lasers at eye-safe wavelengths,” in proc. SPIE 7325, Laser Technology for Defense and Security V, paper 73250V, May, 2009.

[5] I. Esquivias, A. Pérez-Serrano, J. M. G. Tijero, M. Faugeron, F. van Dijk, M. Krakowski, G. Kochem, M. Traub, J. Barbero, P. Adamiec, X. Ai, J. Rarity, M. Quatrevalet, and G. Ehret, “Random-modulation CW lidar system for space-borne carbon dioxide remote sensing based on a high-Brightness semiconductor Laser,” in proc. ICSO 2014, International Conference on Space Optics, paper 66861, October, 2014.

[6] M. Faugeron, M. Tran, O. Parillaud, M. Chtioui, Y. Robert, E. Vinet, A. Enard, J. Jacquet, and F. Van Dijk, “High-Power Tunable Dilute Mode DFB Laser With Low RIN and Narrow Linewidth,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 25, no. 1, pp. 7-10, Jan, 2013.

[7] P. W. Juodawlkis, J. J. Plant, W. Loh, L. J. Missaggia, F. J. O’Donnell, D. C. Oakley, A. Napoleone, J. Klamkin, J. T. Gopinath, D. J. Ripin, S. Gee, P. J. Delfyett, and J. P. Donnelly, “High-Power, Low-Noise 1.5-μm Slab-Coupled Optical Waveguide (SCOW) Emitters: Physics, Devices, and Applications,” IEEE J. Sel Top. Quantum Electron., vol. 17, no. 6, pp. 1698–1714, Nov/Dec. 2011.

[8] M. Spreemann, M. Lichtner, M. Radziunas, U. Bandelow, and H. Wenzel, “Measurement and Simulation of Distributed-Feedback Tapered Master-Oscillator Power Amplifiers,” IEEE J. Quantum Electron., vol. 45, no. 6, pp. 609-616, June, 2009.

[9] P. A. Yazaki, K. Komori, G. Bendelli, S. Arai, and Y. Suematsu, “A GaInAsP/InP Tapered-Waveguide Semiconductor Laser Amplifier Integrated with a 1.5 μm Distributed Feedback Laser,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 3, no. 12, pp. 1060-1063, Dec., 1991.

[10] L. Hou, M. Haji, J. Akbar, and J. H. Marsh, “Narrow linewidth laterally coupled 1.55 μm AlGaInAs/InP distributed feedback lasers integrated with a curved tapered semiconductor optical amplifier,” Opt. Lett., vol. 37, no. 21, pp. 4525-4527, Nov., 2012.

[11] M. Faugeron, F. Lelarge, M. Tran, Y. Robert, E. Vinet, A. Enard, J. Jacquet, and F. Van Dijk, “High Peak Power, Narrow RF Linewidth Asymmetrical Cladding Quantum-Dash Mode-Locked Lasers,” IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron., vol. 19, no. 4, pp. 1101008, July–Aug, 2013.

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