用于LiDAR测量的1.58um单芯片MOPA(一)

1.简介

如今，人们对高功率半导体器件的兴趣日益浓厚，这些器件主要用于遥测、激光雷达系统或自由空间通信等应用。与固态激光器相比，半导体器件更紧凑且功耗更低，这在低功率供电环境（如飞机或卫星）应用中非常重要。在800-1200 nm范围内，对于集成和自由空间主振荡器功率放大器（MOPA）[1]-[3]，人们已经做了大量研究工作。对1.5 μm唯一商用的MOPA来自QPC [4]，其光纤输出功率约为700mW，线宽为500 kHz。在本文中，第一部分我们首先给出了我们的模拟仿真结果，在第二部分，我们给出了1.58 μm MOPA的芯片垂直和水平结构设计，第三部份我们介绍了MOPA器件的制造，最后，第四部分我们展示了该MOPA器件的光学和电气测量结果。

2.器件仿真

A.MOPA架构

MOPA至少包括一个激光器和一个放大器。在FP7 Britespace项目中，我们开发了一个由分布式反馈激光器（DFB）、调制器和半导体光放大器（SOA）三部分组成的集成MOPA[5]。

其中DFB为窄线宽单模激光器，我们已经开发了这款DFB，其输出功率>150 mW，光线宽优于300 kHz [6]。

调制部分需要具有15 Mbit/s的调制带宽和10 dB消光比，我们使用 SOA的增益调制特性就可以实现，与电吸收调制器（EAM）相比，EAM需要特殊的材料（光致发光峰与激光有源区相比发生偏移），我们不需要任何特定的SOA有源区。

MOPA的最大输出功率将由 SOA 的饱和功率决定，为了获得尽可能大的输出功率，我们使用喇叭形 SOA。事实上，扩大有源区可以降低功率密度并增加最大输出功率[7]。

单芯片MOPA的最简单实现方式是将不同的单元部分沿直线顺序排布，如图1a所示[4][8]。这种方式结构简单，但端面反射（即使使用抗反射涂层）以及单元之间的反射较大，这会带来多腔效应，对DFB激光器产生干扰，这些影响在[8]中进行了详细讨论。

为了减少端面反射，一种改进的方法是使波导倾斜，如图1b[9]，这在 SOA中非常常见的结构，缺点是由于倾斜，难以在DFB背面端面上制作有效的高反射涂层。

另一个方法是使用曲波导结构，如图1c[10]，这个结构中，DFB 激光器是直的，调制部分是弯曲的，喇叭形 SOA 是倾斜的，该结构既减少了SOA端面反射，也使得 DFB背面涂层可更好的控制。缺点是弯曲造成的损失有不确定性。

图1. 三种结构：a直MOPA, b斜MOPA, c曲MOPA

B.腔的本征模

在1.55μm处，磷化铟InP半导体结构中的主要损耗是由于P掺杂层中的价带间吸收 IVBA 造成的。为了提高光功率，需要减少限制，即光学模式与给定表面之间的重叠，以及有损的p掺杂层。麻省理工学院林肯实验室在各种发射波长下开发的一种创新方法包括使用不对称包层结构[7]：在有源区和衬底之间插入一层平板层，可以吸引光学模式并将其从p掺杂层中带走。这种结构被称为板耦合光波导SCOW。板层的折射率介于有源区折射率和衬底折射率之间。图2a显示了具有标准垂直结构的InP半导体腔的光学模式，该光学模式以量子阱QW为中心，用虚线表示，并均匀分布在p掺杂的InP层和n掺杂的InP层之间。图2b显示了具有板层结构（不对称包层结构）的腔的光学模式。在这种情况下，光学模式不再以有源区为中心，而是在有源区域下方。光学模式主要分布在n掺杂的板层上，只有一小部分模式分布在p掺杂层上。

图 2. （a）无板结构的光学本征模态，（b）板厚为 2μm结构的光学本征模态。

表1给出了用自编计算光学模式软件使用的相应光学参数。我们清楚地看到了 2 μm 厚板层的影响：QW 的限制因子ΓQW除以 3.5，对 p 掺杂 InP 的限制因子（Γp-InP） 除以 6。与p掺杂层的大量重叠减少是光学损耗降低的原因。QWs约束的减少将导致结构模态增益的降低：既要确保在腔模拟阶段与QWs有足够的重叠，以保持足够的模态增益，又要使用长腔。不对称包层结构允许扩大光学本征模态：我们可以看到这种对垂直发散角影响（表1）。这一点非常重要，因为大的光学模式相当于具有低发散度的光束，这有利于更好的耦合效率。

表1.模拟标准结构和不对称包层结构的光学参数。

对于不对称的包层结构，板层材料的选择非常重要，主要是折射率影响。我们在图 3 中看到，板层折射率的变化对空特性模态的强烈影响。当板层折射率为3.20时，本征模态以有源区为中心，板层对本征模态的影响很小，如图3a。当板层折射率增加到3.25时，本征模态被板层增大并强烈变形，如图3b。对于较高的板透光折射率（n = 3.31），本征模态位于板层的中心，光学模态没有很好地限制，如图3c。

图 3.用于使用 3 种不同板层的光学本征模态。

板层折射率需要介于有源区折射率（nAZ≈ 3.5）和衬底折射率（nInP= 3.16）之间。板层的实现有两种方案：方案1，使用体材料。例如，它可以是具有适当光致发光峰的InGaAsP材料[7][11]。图2和图3中绘制的所有本征模态仿真都是针对具有板层的结构进行的。这种解决方案的缺点是，我们需要在外延中开发一种具有所需折射率的特定材料，例如InGaAsP四元材料，这导致了大量的外延校准和测试，另一个缺点是四元材料的导热性能较差，这不适用于高功率器件。方案2：用“稀释”材料代替体材料[6]，它由多种材料（通常为两种材料）的薄层组成，“稀释”材料的折射率是各种材料指标的平均值乘其厚度加权，如图 4a。这种解决方案的优点在于，由于可以使用InP等标准材料和势垒材料来制作板层，而无需开发四元材料，还可以通过修改层的相对厚度来调整板层折射率，它可以更灵活的设计垂直结构。这一点在图4b和4c中得到了证明，我们绘制了两种结构的光学模式，这些结构的总板厚度相同，但InP和InGaAsP的相对厚度不同。在图4b中，对于给定的结构，模式位于有源区正下方的中心位置。在图4c中，我们保持了板层的总厚度，但我们增加了InGaAsP层的厚度，并减少了InP层的厚度。这导致了平均板层折射率的增加，因为InGaAsP的指数高于InP。我们可以注意到，本征模已经移动到底部，现在位于板的中间，因为它被较高的板层折射率所吸引。

图 4. （a）“稀释”板层的原理。（b）（c）2种外延结构的光学本征模态，板厚相同,但InP/InGaAsP厚度不同。

C.弯曲仿真

MOPA架构中弯曲部分（调制部分）位于在直DFB激光器和倾斜SOA之间。调制器曲率半径由截面的长度和喇叭形 SOA的倾斜度确定（ 7°）。由于与弯曲的输入相比，弯曲的输出是倾斜的，因此很难直接仿真弯曲。一种方法是仿真 S 形弯曲：在这种情况下，输入和输出之间没有倾斜。我们使用 Beamprop 软件仿真了在不同长度下由 S 弯曲引起的传播损耗。结果总结在表2和图5中。发射模式是直线截面的本征模态。对于每种配置，左侧的仿真表示光学模式在 XZ 平面中的传播（Y 位置是有源区）。右边的曲线是传播模式和本征模态之间的重叠。

图5a是1 mm长的直线截面中本征模态传播的仿真图。传播没有任何传播损失，这意味着我们的本征模态计算是正确的。图 5b-d 是不同长度（1.0、1.4 和 2.0 mm）的 S 形弯的曲线图。对于 1mm 长的S形弯管，损耗4.56dB，在图 5b 中可以看到弯曲部分的光功率泄漏。对于 2 mm 长的 S 形弯曲，光学损耗低于1dB，如图 5d。在我们设计的曲 MOPA 架构中，我们只有半个 S 形弯曲，使用1mm长的弯曲调制器时，传播损耗应约为0.5dB。

图 5.在不同波导上的传播的光学模式（a）直，（b）1 mm 长S 弯，（c）1.4 mm 长S 弯，（d） 2 mm 长S 弯。

表2.各种 S 弯曲长度的传播、传输和损耗。

--未完待续--

[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. Spießberger, M. Schiemangk, A. Sahm, A. Wicht, H. Wenzel, A. Peters, G. Erbert, and G. Tränkle, “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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