宽面积垂直腔半导体光放大器

第30卷，第5期 2010年5月 光谱学与光谱 SpectroscopyandSpectralAnalysis V01．30，No．5，ppl413—1416 May，2010 宽面积垂直腔半导体光放大器 孙成林1’2，梁雪梅1，秦莉1，贾丽华3，宁永强1，王立军¨ 1．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激发态物理重点实验室，吉林长春130033 2．吉林大学物理学院，吉林长春130023 3．集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区，吉林大学电子科学与学院，吉林长春130012 摘要在反射模式下，对于970nm宽面积垂直腔半导体光放大器(Vcs()A)的增益和带宽特性进行了实 验研究和分析。当注入电流为57％阈值电流、信号输入功率为0．7W，取得了24．8dB的放大，测得的放大 器的带宽为0．14nm。实验中测量的增益值大于理论计算值，这是由于宽面积垂直腔光放大器内存在多个横 向模式，每个模式都有相应的放大，所以总的增益大于理论计算的某个模式的增益。这种宽面积垂直腔光放 大器不仅可以提高增益，而且还能提高信号光的饱和输入功率。对970nm宽面积VCSOA的结构进行了优 化设计，模拟结果表明，要提高半导体激光器的增益和带宽，可以通过适当降低垂直腔面发射激光器的上 DBR的反射率来获得。 关键词垂直腔半导体激光器；半导体光放大器；增益；带宽 中图分类号：TN248．4文献标识码：A DOI：10．3964／j．issn．1000--0593{2010}05—1413-04 引言 与其他放大器相比[1]，半导体光放大器(SOA)是光通信 系统中的一类新型的放大器，由于它具有低成本、低功耗和 结构紧凑、易于与其他光电子器件集成等优点，在光纤入 户、城域网、局域网等系统中有重要的应用[24。。在上述应用 中，对于放大器的制作成本是首要的考虑因素，而SOA具备 满足I：述应用的技术要求。工作在行波模式的S()A具有足 够大的单程增益，但是存在着与光纤的耦合效率低、偏振敏 感的缺点，不能完全满足实际应用的需要。最近，一种基于 垂直腔半导体激光器(vI：SEI。)的光放大器(VCs()A)引起了 人们的研究兴趣，因为与传统的s()A相比，它具有偏振不敏 感、与光纤的耦合效率高、制造成本低、易于大规模二维集 成等优点[5]。目前工作在0．98，1．3和1．55tan波长的VC- SOA在实验中已基本实现睁11]，但尚需对VCSOA的工作特 性作进一步的优化。 由于VcSOA的有源区长度较短，单程增益较小，为了 提高其单程增益，需要采用高反射率的DBR反射镜。VC- SOA的增益由增益谱和腔的谐振共同决定，因此VC- SOA的放大被限制在腔谐振附近的波长范围内，导致放大器 的光学带宽窄。为了增加放大器的带宽，可以通过降低DBR 的反射率，但也降低了放大器的增益。通过优化DBR的反射 率可以提高增益和光学带宽，或采用宽面积VCSOA来提高 增益。器件出光口的面积越大，vI二SOA中的横向模式越多， 这样v(黑)A的增益谱会形成准连续分布，相应地提供高的 增益和宽的带宽及高的饱和输出功率。 国际上处于该领域研究前沿的主要有美困加利福尼亚大 学、瑞典皇家技术学院等，并已取得_『重大进展，国内主要 有西南交通大学的一个研究组对VCSOIA的增益、带宽等特 性进行了详细的理论分析和计算[12_15]。本文从嘲A的器件结构出发，在反射模式下，对 970nmVCSoA的增益和带宽特性进行了实验研究。对970 衄宽面积VCSOA的DBR反射率与增益和带宽的关系进行 了理论模拟。 器件结构和制作过程 970nm宽面积反射式VCSOA的结构示意图如图1，实 验中采用的垂直腔面发射激光器为氧化限制型底发射结构。 激光器的有源区包含3个8啪厚的I毗2Gao．8As量子阱，势 垒材料为GaAsP，厚度为10nnl，设计波长为970nra；P型 收稿日期：2009—06—16。修订日期：2009-09-18 基金项目：国家自然科学基金项目(10774057)，国家自然科学基金重点项目(60636020)和国家(863计划)项目(2007AA062112)资助 作者简介：孙成林。1973年生，吉林大学物理学院副教授e-mail：chenglin@jlu．edu．cn *通讯联系人 e-maillw∞gli@ciomp．ac．cn 万方数据 1414 光谱学与光谱分析 第30卷 和N型分布式布拉格反射镜DBR构成谐振腔，在谐振腔中 产生的激光经过GaAs衬底直接从底面输出。P面DI浓30 对，反射率为99．90A，N面DBR26对，反射率99．3％；由 绝缘材料A1203构成的限制层不仅能限制光场，还能限制注 入电流的路径。P面选用TiPtAu作为圆形的平面电极材料， 力面则用AuGeNi构成。 №1SchematicdiagramofVCSOAoperation underreflectionmode 为减少光吸收，将衬底减薄抛光至120tan。直径为400 tan的台面被湿法化学腐蚀到有源区附近的AlAs层。420℃ 下，由氮气携带90℃的水蒸气对AlAs进行氧化形成Al，q 绝缘层，从而对电流进行限制，氧化深度约为20tan。在台 面上溅射300nlll厚的SK)2钝化层，之后蒸镀TiPtAu形成 P面的欧姆接触。在N面采用双面对准工艺形成出光窗口， 并在窗口上蒸镀si／sioz增透膜，以提高输出光功率。N面 的欧姆接触通过在衬底卜蒸镀AuGeNi／Au形成。最后再解 理成管芯，用In焊料把管芯粘接在无氧铜热沉上。组装成单 管进行测试，图2为VCSEL的输出特性曲线。 ●¨l。”o 1000 ●●—●l■¨lm ●．●O ‘■， ●．的c^’ ●．，●‘mI ●．●I l， ●．t● t口l ，●●‘Ⅲ I‘竹’ l如一 ，● f’a 200 a"^婶hmc“擀铷M№．j0，．Ⅻ，M目n烈耐 ‰缘怒喘盘““0 r，】，0#Jj-“"‘¨●MtO●'l·I{‘神ol’ }’ √一一广 ／ ／ ／ ／ }／ ／ ．} f f ／ ，／ 2实验结果 实验系统由垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)、970 nnl注入半导体激光器、光束耦合透镜、驱动电源、会聚透 镜、功率计和AQ6315B光谱仪组成。垂直腔面发射半导体 激光器和注入半导体激光器均采用电注入方式。实验装置示 意图如图3所示。 聚焦遗麓2 矾晷3 Experimentalsetup 测量时，由注入半导体激光器发出的光经过光束耦合透 镜准直后送人垂直腔半导体激光器中(信号光)；垂直腔半导 体激光器工作在阚值以下(阈值1．4A)，没有激射；信号光 经过VCSEL后，信号光被放大，经过会聚透镜送入功率计， 经过测试信号输入功率与输出功率，得到信号光放大的倍率 以及带宽等特征参数。 图4和图5给出了测量的VCSOA的增益与输入功率和 波长的依赖关系。图4中，在信号输入功率为0．7W时，取 接近25dB的放大，饱和输入功率为1．1W。图5中的结果 是在放大器的注入电流为0．8A(57％的阈值电流)时的测量 结果。当增益为24．8dB时，对应波长为969．24nln，测量的 带宽为0．14nm(25GHz)。 25 20 10 5 0．125 0．25 0．5 1 2 4 Inputmngllalpower／W №4SignalgainagainstinputpOWPX Wavelength／nm №5Wavelengthdependenceofgain 文献E5J给出，970nln垂直腔半导体光放大器，当增益 为20dB时，带宽为0．1nlTl。文献[6]中，980nlTl垂直腔半 导体光放大器，当出光口直径为10tan时，增益为12．5dB， 对于增大出光口直径到50tan时，增益为16．3dB；在这两 种情况下，放大器的带宽均为0．8rlln，可见增大出光El直 径，可以提高增益。 沥 ∞ 垢 m 5 O ∞p／看。 靠 4 3 2 l 0 咖 枷 tl要J 0妻一#0 万方数据 第5期 光谱学与光谱分析 1415 对于我们的出光口直径为400“m的放大器，由放大器 的增益公式计算得到，放大增益为15．4dB，而测皱值为 24．8dB，这是因为宽面积垂直腔半导体光放大器内由于存 在多个横向模式，相应的每个模式都有相应的放大，因此测 量的增益值要大于理论i|．算值，这就是宽面积垂直腔放大器 的—个优点，在不改变带宽的前提下可以明显的提高增益。 增大出光口的面积，不仅能提高增益，而且还可以大大提高 信号光的输入功率，对于出光口直径在10舯以下的放大 器，输入饱和功率在毫瓦级；对于出光I=1直径大于100呻 的放大器，饱和输入功率可以增大到几百毫瓦。 3 VCSOA结构优化设计 实验中由于N面DBR的反射率为99．3％，导致放大器 的带宽窄，为了增加放大器的带宽，我们降低DBR的反射 率，但是也要兼顾放大器的增益。通过优化DBR的反射率来 提高增益和光学带宽，结果如图6。由图可知，对于N面 DBR反射率为0．92时，带宽为164GHz，增益为12dB，当 N面DBR反射率为0．94时，带宽为55GHz，增益为18．0 dB。 4结论 对于970ni3q的反射式宽面积垂直腔半导体光放大器， 当注入电流为57％阈值电流、信号输入功率为0．7w，取得 了24．8dB的放大，测得的放大器的带宽为0．14nlTl。实验 中测量的增益值大于理论计算值，这是由于宽面积垂直腔光 放大器内存在多个横向模式，每个模式都有相应的放大，所 以总的增益大于理论计算的某个模式的增益。这种宽面积垂 直腔光放大器不仅町以提高增益，而且还能提高信号光的饱 和输入功率。增益和带宽之间是相互制约的，为r获得大的 删l 300 200 loo 0 TopDBRreflectivi姆 (a)Gain o．84 o．88 o．92 o．96 1．00 TopDBRreflectivity Co)Opticalbandwidth №6]ⅥllXillllllll弘jnandopticalbandwidth，鹪functionsof reflectivityoftopDBR，forreflectiontypeVCSOA． Thegsisgiven鹪aparameter (a)：Gain；(b)：Opticalbandwidth 带宽，需要适当降低增益。为了获得高的增益带宽积，对上 DBR的反射率要进行优化，如将目前的99．3％的反射率降 低到93％时，增益为16．3dB，带宽为80GHz。 参 考 文 献 [I]LIXiao-juan，TSANGKwokChu，PUNEdwinYue-Bun，etal(李晓娟，确～NGKwokChu，PUNEdwinYue-Bun，等)．Spectroscopy andSpectralAnalysis(光谱学与光谱分析)，2009。29(3)：602． [2]StaffanEBjodin，ToshioKimura，BowersEIEEEJ．ofSeLTop．InQuantumE1ectronics，2003，9(5)；1374． [3]Gonzalez-MarcosAP，HurtadoA。Martin-PeredaJ八Proc．SPIE，2005，5840：262． [4]HurtadoA．AdamsMJ．JournalofOpticalNetworking，2007，6(5)：434． [5]MarinoF，Balle&OpticsCommunications，2004，231：325． [6]PiprekJ，BiodinES，BowersJEElectronicsLetters，2001，37(5)：298． 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1．LabofExcitedStateProcesses，ChangehunInstituteofOptics，FineMechanicsandPhysics，ChineseAcademyofSeience$ Changchun130033，China 2．CollegeofPhysics。JilinUniversity。MinistryofEducation，Changchun130023·China 3．StateKeyLaboratoryonIntegratedOptoelectronica，CollegeofElectronicScienceandEngineering，JilinUniversity’ Changchun130012，China AlmtraetBasedonthebroad-areavertiealcavitysemiconductoropticalamplifiers(VCSOA)of970nrn，theamplitiergainand bandwidthcharacteristicswereexperimentallyinvestigatedandanalyzedinthereflectionmode．For970啪broad-areaVCSOA operatedinreflectivemode．themaximumgainamplificationof24．8dBandopticalbandwidthof0．14咖(25GHz)were reachadwhentheinjectioncnrrentwas57％ofthresholdcurrentandthesignalinputpowerwas0．7W．Theexperimentalgain valuewaslargerthanthetheoreticalvalue，duetomanymodesexistinginVC-q3&EachIIK)dehadrelativegainamplification, 80theexperimentalgainvaluewaslargerthanthetheoreticalvalue．Thiskindofbroad-areaVCSOAwasimprovednotonlyin opticalgainbutalsoinsaturatedinputpower．TheauthorsoptimizedthestructuredesignofthewideareaVCSOAof970nnl． Thesimulationresultsshowedthattheimprovementofthegainandbandwidthofthesemiconductorlasercouldbeobtainedby appropriatelyreducingtheDBRreflectivityoftheemittinglaserontheverticalcavitysurface． KeywordsVerticalcavitysemiconductorlasers,Semiconductoropticalamplifier,Gain,Bandwidth *Correspondingauthor (ReceivedJun．16，2009,acceptedSep．18，2009) 万方数据