DFB激光器芯片和FP激光器的区别

法布里-珀罗激光器(FP-LD)是最常见、最普通的半导体激光器,它最大的特点是激光器的谐振腔由半导体材料的两个解理面构成。目前光纤通信上采用的FP-LD的制作技术已经相当成熟,普遍采用双异质结多量子阱有源层、载流子与光分别限制的结构。

FP芯片结构如上图。

DFB激光器的芯片结构如上。

DFB相比于常见的FP激光器不同之处就是它在外延处就植入了布拉格光栅,在F_P谐振腔内既可形成选模结构,实现完全单模工作。

在外延的阶段,中间插入光栅制造步骤,然后再接着二次外延生长。

这个阶段大家可以想想看工艺会出现什么异常?

布拉格光栅大家都知道是什么样的吗?

布拉格光栅 (FBG) 是一种周期性,作为波长选择镜的微结构,有的是一串微沟道、有的是一串不同折射率的介质。例如布拉格光栅光纤,就是光谱光源被注入到光纤后,只会存在非常窄的光谱。只有布拉格波长的光会被光栅反射,剩余的光波将继续通过光纤到下一个光栅,并且没有任何损失。说白话一点就是一个波长过滤器的作用。

外延生长的温度比较高,六七百摄氏度都正常,因此这些光栅沟槽会发生回熔,光栅就会变形,甚至完全消失,整个芯片的光栅就会变得残缺不全,激光器的内量子效率降低。DFB激光器的震荡频率偏离Bragg频率,其阈值增益较高。

下图是厦门全磊光电的外延结构示意图

一种高性能DFB激光器结构,包括InP基底,在所述InP基底上从下而上依次采用MOCVD沉积的N?InP缓冲层、N?AlInAs外延层、N?AlGaInAs波导层、AlGaInAsMQW、P?AlGaInAs波导层、P?AlInAs限制层、P?InP限制层、光栅层、InGaAsP势垒过度层、InGaAs欧姆接触层;在所述N?InP缓冲层与所述N?AlInAs外延层中间插入一层N?InAlAsP;本方案设计的一种高性能DFB激光器结构,在N?InP缓冲层与N?InAlAs外延层中间插入一层N?InAlAsP,可以获得高质量的MQW,提高激光器的可靠性,同时还能平滑N?InP缓冲层与N?InAlAs外延层之间的导带能阶差,减小DFB激光器的电阻,提高DFB激光器的性能。

DFB激光器的制造

上文介绍了DFB外延的制作,芯片的制作和FP的过程差不多,可以参考以前的文章。下图是制备好的晶圆,进行分bar和切chip。

晶圆分成bar之后进行镀膜。但是DFB激光器在切割时会出现腔长的误差。腔面解离是一种纯机械的操作,并不能刚好切成整数倍光栅周期。

通常都会有光栅周期的随机残留。在AR侧没有影响,因为光不会在这一端面反射,但是在HR侧就会有很大影响。

如图,HR端就会出现不同的解离剩余距离出来,增加了相对于整个光学模式的随机腔面相位,并将导致模式偏移一定的量。相位就会随着激光器的确切长度而变化。

在FP器件中,腔长的微小变化对输出影响不大,长度的变化意味着器件将偏移其允许模式梳,单器件仍然会按照允许模式以最大增益激射(可能便宜1nm左右)。

在DFB激光器中,很小的偏移都会十分显著。当允许模式偏移1nm或者2nm时,最低增益的特定模式就会变化。比如想在1313nm处最低增益点激射的,由于背腔相位不同,可能导致1311nm的波长激射。这将导致两个具有基本相同光增益的允许模式,使得器件有两个激射模式。

因此背腔相位对DFB激光器存在以下影响:

1 阈值电流的影响

背腔相位影响允许的激射波长,他们有不同的激射增益。

2 激射波长

随机背腔相位轻微便宜允许模式,但是由于增益随波长的略微变化而显著变化,具有最低增益的模式可能显著变化。

3 单模行为

针对某些背腔相位,两张允许的模式会有基本相同的激光增益,在这种情况下,器件可能有两个激射模式。

4 斜率效率

器件的功率分布依赖于相位,十分敏感,稍不同的背腔相位代表不同的斜率效率,不似FP那样,斜率效率敏感地依赖于背腔相位。

背腔相位是在激光器解离过程中随机定义出来的,因此不能得到精准控制,就是一个随机的数值,但是对于特定的设计和制作来讲,可以通过统计学的方法,统计批次的设计良率确定,进而在设计师考虑基于随机背腔相位和标称特性的分布。