中山大學電子與信息工程學院、光電材料與技術國家重點實驗室喻穎、余思遠課題組提出一種新型波導側壁介質光柵選模結構，首次將光柵的設計制備與化合物半導體材料外延以及波導加工工藝分離，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合，實現了高邊模抑制比、低相對強度噪聲、強抗光反饋能力的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耐受能力的高性能半導體激光器是光通信、激光雷達、光傳感以及量子技術等應用領域重要核心器件。利用布拉格光柵對半導體激光器的工作波長進行選擇的分布式反饋（DFB）或分布式布拉格反射鏡（DBR）結構是獲得高性能單縱模半導體激光器的重要方法。
現有的磷化銦（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構，需要采用二次掩埋外延工藝對光柵進行覆蓋。二次掩埋外延工藝比較適于金屬有機化合物氣相化學沉積（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。
研究創新點
為了應對這一挑戰，研究團隊提出了采用低損耗非晶硅介質作為光柵材料的新型波導側壁光柵 DFB 激光器方案[圖1(a) ]。通過優化光柵設計和加工工藝，實現了高穩定性和重復性的反饋選模[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合，實現了輸出功率達 26.6 mW的1310 nm波段電泵浦室溫連續工作量子點DFB激光器，并進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)非晶硅側壁耦合光柵結構示意圖，(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度噪聲曲線，(f) 不同注入電流下 5 GHz 頻率的相對強度噪聲與反饋強度關系曲線，插圖為注入電流為4 倍閾值時不同反饋強度下的光譜變化
新型光柵高穩定的耦合反饋系數使得激光器能夠在連續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 52.7 dB。半導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因子，與新型光柵的高品質單模特性相結合，使得該新型DFB激光器展示出高溫度穩定性，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)]。
總結與展望
本項工作通過將介質光柵結構置于波導側壁，首次將光柵制作與半導體激光器材料外延生長及波導制備過程分離，實現了具有最低的相對強度噪聲的高性能半導體量子點DFB激光器。
這一新技術無需二次外延，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光柵材料，可適用于不同波段的半導體激光器，從而為基于一個技術平臺、面向多個應用領域研制多個不同波長的高性能半導體激光器打開了大門，可能對傳統的半導體激光器生產方式產生顛覆性影響。
中山大學博士研究生楊灼輝為第一作者，喻穎副教授和余思遠教授為共同通訊作者。該工作得到國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金項目、廣東省重點研發項目、廣州市重點研發項目、廣東省珠江人才計劃本土創新科研團隊項目以及中山大學光電材料與技術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）
