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作者：Batrice Dagens、Franois Lelarge、Alain Accard和Guang-Hua Duan Alcatel-Thales III-V實(shí)驗(yàn)室 目前，基于自組裝納米結(jié)構(gòu)的激光器引起了很大的關(guān)注，這要?dú)w因于它的一系列良好特性，比如低閾值電流、高增益以及良好的熱穩(wěn)定性。這些勝于量子阱和大體積激光器的優(yōu)點(diǎn)，甚至已經(jīng)吸引Innolume（前NL Semiconductor）投資商業(yè)化生產(chǎn)。InAs-on-GaAs量子點(diǎn)激光器的輻射波長(zhǎng)為1.1-1.3祄。
雖然Innolume的技術(shù)基于量子點(diǎn)，但是他們也對(duì)“量子線”越來(lái)越有興趣，其實(shí)從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，量子線就是延伸的量子點(diǎn)。這些結(jié)構(gòu)共享了量子點(diǎn)的很多優(yōu)點(diǎn)，而且提供了更高的增益來(lái)增大激光效率。像量子點(diǎn)激光器一樣，在非常低的抖動(dòng)下，它們能夠進(jìn)行被動(dòng)鎖模來(lái)產(chǎn)生短的、高比特率脈沖。上述特性使得這些線基的激光器成為提供高重復(fù)率信號(hào)源的候選產(chǎn)品，尤其在40和160Gbit/s處，正是未來(lái)網(wǎng)絡(luò)期望的傳播速度。這些性質(zhì)也導(dǎo)致了微波頻域的本征“拍頻”輻射。因此，量子線激光器也能夠成為在10-300GHz范圍內(nèi)潛在的微波源，并擁有很高的光譜純度。
圖1.TEM圖像的平面圖，顯示了六層量子線堆疊之上的量子線納米結(jié)構(gòu)。
目前，基于InAs/InP材料系統(tǒng)的量子點(diǎn)和量子線激光器已經(jīng)引起了特別的關(guān)注，這是因?yàn)榛谶@個(gè)材料系統(tǒng)的激光器波長(zhǎng)能夠用來(lái)在1.5祄的光纖光譜窗口進(jìn)行傳輸。但是，制造這個(gè)波長(zhǎng)的量子點(diǎn)激光器并不容易。MOCVD目前還未探明是否能夠生長(zhǎng)高質(zhì)量包層薄膜的InAs量子點(diǎn)，而MBE在InP襯底上進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)方向的生長(zhǎng)往往產(chǎn)生線而不是點(diǎn)。這使得研究者或者研究在（100）InP方向上的線基結(jié)構(gòu)，或者研究在（311）B表面上產(chǎn)生的點(diǎn)基結(jié)構(gòu)。
在標(biāo)準(zhǔn)襯底上構(gòu)造
在位于法國(guó)Palaiseau的Alcatel-Thales III-V實(shí)驗(yàn)室，我們利用MBE法在（100）面的InP襯底上生長(zhǎng)線。這里有一個(gè)很大的好處就是這個(gè)過(guò)程可以與現(xiàn)有的量子阱及體器件的標(biāo)準(zhǔn)制造過(guò)程兼容，包括再生過(guò)程也是如此。這能夠讓我們?cè)谑覝刂�，生產(chǎn)在InGaAsP量子阱和勢(shì)壘中的量子線激光器（連續(xù)波長(zhǎng)）。韓國(guó)電子與電訊研究所的一個(gè)小組和德國(guó)Wrzburg大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在InGaAlAs勢(shì)壘中獲得的相似成績(jī)。
我們的激光器基于兩種設(shè)計(jì)，或者是在一個(gè)勢(shì)壘中的線，或者是在一個(gè)阱中的線，都是采用氣源MBE方法在摻硫磺的襯底上使用Stransky-Krastanow生長(zhǎng)模式生產(chǎn)的。應(yīng)力釋放使得1nm厚的InAs層與下面的InGaAsP在形成量子尺寸的結(jié)構(gòu)時(shí)產(chǎn)生了4%的晶格失配。在這個(gè)過(guò)程中，這種“自組織”對(duì)InGaAsP的表面各異性是高度敏感的，沖撞沿著[1-10]方向形成，表面密度為1-4×1010cm-2。根據(jù)生長(zhǎng)條件的不同，它們有15-20nm寬、40-300nm長(zhǎng)的范圍。線的尺寸影響著激光器的載流子限制特性以及最終的器件性能。
圖2.當(dāng)堆疊層變得比較厚時(shí)，為每個(gè)單獨(dú)的層選擇合適的生長(zhǎng)條件，這能夠彌補(bǔ)線的尺寸變化。利用這種方法，隨著生長(zhǎng)層厚度的提高，光致發(fā)光譜加寬的現(xiàn)象將被減弱，從而產(chǎn)生了適合做高性能激光器的外延層材料。
量子尺寸結(jié)構(gòu)制作的激光器，器件的光模式作用區(qū)域相對(duì)小是其缺點(diǎn)之一。一般來(lái)說(shuō)，在激光器的光學(xué)模式下，僅0.15%的激勵(lì)被真正約束在量子-沖撞層——這要比一個(gè)量子阱層少6倍之多。因此，為了提高模式增益，量子沖撞層在間隔層之間盡可能成疊地靠在一起。但是，這會(huì)影響線密度和尺寸，減弱激光波長(zhǎng)處的模式增益，并且妨礙器件性能（圖2）。尤其當(dāng)間隔層的厚度小于60nm時(shí)，這種變化將會(huì)加劇。
堆疊成功
利用這種方法，我們生長(zhǎng)了勢(shì)壘中的線結(jié)構(gòu)和阱中的線結(jié)構(gòu)，其輻射在1.5- -1.6 m（圖3）。對(duì)于最初的分析，我們處理了輻射從1250到1650nm的光譜范圍的寬區(qū)域（BA）激光。增益飽和現(xiàn)象，這個(gè)使InAs/GaAs系統(tǒng)苦惱不已的問(wèn)題，在這些光譜中已不復(fù)存在了。
閾值電流測(cè)量顯示了阱中的線結(jié)構(gòu)提供了更好的載流子注入——在這種結(jié)構(gòu)中，閾值電流密度為每層110A/cm2，相比而言，勢(shì)壘中的線激光器的每層閾值電流密度為190A/cm2。對(duì)于一個(gè)基于六層量子阱的設(shè)計(jì)而言，內(nèi)量子效率為80%。
我們通過(guò)傳統(tǒng)的方法評(píng)定了溫度性能，決定了“特征溫度”T0值，這是一個(gè)眾所周知的性能因數(shù)。這個(gè)因數(shù)會(huì)受到閾值電流的穩(wěn)定性和載流子受限性的影響，較高的值預(yù)示著激光能夠在較高的溫度下工作。對(duì)于一個(gè)阱中線系統(tǒng)，T0能夠通過(guò)窄化阱的寬度而增加，這種方法增加了阱的能量，抑制了線層的電子流。
通過(guò)這種方案，我們制成了T0=100K的器件，工作溫度為20-80℃，這種方法也產(chǎn)生了單橫模的Fabry-Prot激光器，閾值電流在25℃時(shí)僅為12mA（圖4），在溫度在25-85℃之間的T0=80K。從溫度性能上來(lái)講，該方案勝過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的1.55μm無(wú)Al多量子阱激光器，這已經(jīng)是一個(gè)非常重大的進(jìn)步了。
我們利用BRS激光技術(shù)開(kāi)發(fā)了這些Fabry-P rot激光器；在激光器的生產(chǎn)中，采用專(zhuān)為InGaAsP多量子阱激光器建立的標(biāo)準(zhǔn)處理步驟來(lái)制作：1）用等離子蝕刻形成1-2μm寬的紋脈波導(dǎo)；2）借助MOCVD再生長(zhǎng)以增加p型摻雜InP包層和GaInAs接觸層；3）用質(zhì)子培植法定義貫通器件的電流。如此，一個(gè)由電子束光刻定義的用于單模輻射的分布反饋式結(jié)構(gòu)就這樣形成了。
我們制作的器件中包含了一個(gè)205μm長(zhǎng)的BRS激光器，它擁有一個(gè)高反膜背面以及六個(gè)阱中線層的DFB結(jié)構(gòu)。這個(gè)器件在15-85℃工作溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)波（圖5），擁有一個(gè)1512nm的主激光模式，其中邊模抑制比（SMSR）為45.5dB。這是量子線或者量子點(diǎn)激光器首次進(jìn)行直接的10Gbit/s調(diào)制傳輸下無(wú)基底誤碼率測(cè)試。信號(hào)在光纖中傳播了16km的距離，接收功率是-6dBm，誤碼率低于1/1011；如此低的誤碼率，為量子沖撞激光器在通信領(lǐng)域的應(yīng)用提供了極具價(jià)值的保證。
這些激光器還有應(yīng)用在微波領(lǐng)域的潛能。18個(gè)月之前，我們報(bào)道了使用鎖模1.5μm量子點(diǎn)激光器和全光時(shí)鐘恢復(fù)產(chǎn)生的低抖動(dòng)、高比特率短脈沖。一個(gè)Fabry-Prot量子點(diǎn)激光器的本征差拍頻譜的典型FWHM值為15kHz，相比之下，一個(gè)大體積DBR激光器的FWHM值為1.5MHz。我們的量子線激光器在體積和基于量子阱方面，比前幾代激光器有了非常大的進(jìn)步，我們期望它們能夠在微波頻域展現(xiàn)出更好的性能。
未來(lái)我們將注重如何精確控制這些納米結(jié)構(gòu)的形狀。這樣就能夠優(yōu)化量子線異質(zhì)結(jié)激光器的設(shè)計(jì)并且提升激光器的動(dòng)態(tài)性能。我們也將繼續(xù)發(fā)展應(yīng)用在光纖通信和毫米波發(fā)生領(lǐng)域的基于量子線的鎖模激光器，并且探索它們卓越的相位噪聲和時(shí)間抖動(dòng)特性。
作者簡(jiǎn)介
Batrice Dagens負(fù)責(zé)可調(diào)激光器和光子集成電路的發(fā)展。Franois Lelarge負(fù)責(zé)MBE的生長(zhǎng)，特別定位于量子線材料。Alain Accard負(fù)責(zé)激光器的開(kāi)發(fā)和制作。Guang-Hua Duan是電信應(yīng)用小組激光研究組的負(fù)責(zé)人。他們感謝歐盟ZODIAC項(xiàng)目和法國(guó)ROTOR項(xiàng)目的支持。同時(shí)，對(duì)參與討論的A Ramdane和B Lavigne、以及提供透射電子顯微鏡觀察的G Patriarche表示感謝！
