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在传统的氧化物约束型的垂直腔面发射半导体激光器中, 横向光限制主要取决于氧化层的厚度及其相对于腔内光驻波分布的位置. 通过减少外延结构中氧化层与光场驻波分布之间的重叠, 可以降低芯层与包层之间的有效折射率差, 从而减少腔内可存在的横向模的数量, 并增加横模向氧化物孔径之外的扩展. 本文利用这一原理设计并制作了一个795 nm的大氧化孔径的垂直腔面发射激光器. 器件在80 ℃下可实现4.1 mW的高功率单基模工作, 最高边模抑制比为41.68 dB, 最高正交偏振抑制比为27.46 dB. 将VCSEL作为抽运源应用于核磁共振陀螺仪系统样机中, 实验结果表面新设计的VCSEL可以满足陀螺系统的初步应用需求.
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关键词:
- 垂直腔面发射半导体激光器 /
- 大氧化孔径 /
- 单基模 /
- 核磁共振陀螺仪
Single-transverse mode vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) are preferable optical sources for small low-power atomic sensors, including chip-scale atomic clocks, magnetometers, and gyroscopes.When VCSEL is used as the pump source of nuclear magnetic resonance gyroscope, it is required to have high single-mode output power. Oxide aperture diameter must be sufficiently small (< 4 µm) in a conventional oxide-confined VCSEL to support the fundamental mode alone. However, high series resistance (typically > 200 Ω for GaAs-based VCSEL) from the small aperture limits its output power and reliability due to excessive current-induced self-heating and high current density. It is a very attractive idea to achieve high power operation of an intrinsic single mode VCSEL based on a large oxide aperture by means of epitaxial structure design without introducing additional process steps. Transverse optical confinement in oxide-confined VCSELs crucially depends on the thickness of oxide layer and its position relative to standing wave. Modifying the structure reduces the overlap between the oxide layer and the standing wave as well as the difference in effective refractive index between core and cladding of the VCSEL, thereby reducing the number of transverse modes andincreasing the mode extension beyond oxide aperture. A 795-nm VCSEL is designed and fabricated based on this concept. A cavity structure of VCSEL with gain-cavity detuning of ~10.8 nm at room temperature is adopted in this paper. The effective refractive index and the standing wave distribution of the VCSEL are calculated, and the position of the oxide layer in the epitaxial structure of the VCSEL is optimized according to the standing wave distribution. Finally, the structure with low effective refractive index difference is obtained. The proposed device achieves high single-mode operation of 4.1 mW at 80 ℃, SMSR of 41.68 dB, and OPSR of 27.4 dB. The VCSEL is applied to a nuclear magnetic resonance gyroscope (NMRG) system as pump source due to its excellent device performance, and satisfactory test results are obtained. This paper presents a new method of designing single-mode high power VCSEL and its feasibility is also demonstrated through experimental results.1. 引 言
垂直腔面发射半导体激光器(vertical cavity surface-emitting semiconductor laser, VCSEL)具有许多独特的特性, 如表面发射激光、具有圆形和低发散角的输出光束以及可二维阵列集成等[1,2]. 单横模VCSEL (SM-VCSEL)是小型化低功耗原子传感器的首选光源, 包括芯片级原子钟、原子磁力计和原子陀螺仪[3-5]. 在芯片级核磁共振陀螺仪(nuclear magnetic resonance gyroscope, NMRG)的应用中, VCSEL需要在高温、单横模、低功耗下工作, 其输出功率决定了原子极化率, 并最终影响陀螺的信噪比[6]. 在传统的氧化物约束型SM-VCSEL中, 氧化物的孔径必须足够小(一般＜3 μm)以保证器件仅支持基模工作. 然而, 小孔径使VCSEL的串联电阻大(通常约为200 Ω)、电流密度高, 限制了VCSEL的输出功率和可靠性. 而当氧化孔径增加时, 器件的电阻下降, 自产热也随之下降, 进而可以实现高的输出功率, 但是大氧化孔径会导致多横模激射. 通过在大孔径多模VCSEL中引入具有模式选择特性增益或损耗, 可以使VCSEL仅在基横模(LP01)下工作. 多种基于这一原理的SM-VCSEL已经被报道, 包括光子晶体VCSEL[7,8], 表面刻蚀多孔VCSEL[9], Zn-扩散VCSEL[10,11], 以及表面浮雕VCSELs [12-14]. 与传统的氧化物约束SM-VCSEL相比, 这些方法需要额外的工艺步骤和非常高的工艺制备精度, 限制了它们的量产前景.
由于原子传感系统的重要国防应用, 美国国防部先进研究项目局从 2002 年开始部署了多期原子传感专用高温工作单横模VCSEL 的研制计划, 在该计划支持下, 美国桑迪亚国家实验室、Princeton Optronics 公司等单位陆续报道了一系列原子钟专用 VCSEL方面的器件结果[15]. 2005年, 德国乌尔姆大学利用表面倒光栅浮雕制作了 850 nm VCSEL, 其在 90 ℃下单模出光功率大于 1 mW[16]. 2012年又报道了894.6 nm VCSEL, 在 80 ℃下最大单模出光功率1.2 mW. 2007 年, 美国桑迪亚国家实验室通过刻蚀表面光栅, 研制出了在 1 mA 的注入电流下实现边模抑制比(SMSR)＞35 dB 的高性能 VCSEL, 其在 85 ℃下的最大输出功率0.75 mW[17]. 目前国外在原子钟用小功率单模VCSEL方面已经发展成熟, 可提供商业化产品[18]. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所(以下简称长春光机所)从 2011 年开始展开高温工作VCSEL方面的研究, 并取得了一系列进展. 2013 年, 长春光机所报道了 Rb原子钟专用的 795 nm VCSEL, 器件在 85 ℃ 下实现最大输出功率为 1.8 mW[19]. 2015 年, 报道了 Cs 原子钟专用的 895 nm VCSEL, 在 110 ℃下, 最大输出功率 1.5 mW , SMSR＞25 dB, 阈值电流仅为0. 32 mA[20]. 2022 年, 又报道了采用浅表面浮雕的单模 894 nm VCSEL, 92 ℃ 时最大输出功率2.02 mW, SMSR 29.2 dB[21]. 北京工业大学在2020年报道了 Cs 原子钟专用的 895 nm VCSEL, 输出功率为 0.86 mW, SMSR＞20 dB[22]. 中北大学和清华大学在2009年联合报道了设计了780 nm 单模VCSEL, 在 75 ℃下最大输出功率接近 0.5 mW[23]. 从目前报道的结果中可以发现: 原子传感专用VCSEL在高温(＞80 ℃)下的最大输出功率仍然低于3 mW.
本文基于一种新的设计思路实现了大氧化孔径的SM-VCSEL. 通过使氧化层远离有源腔, 氧化孔径内可存在的横模数量将极大地减小, 且高阶横模的光场向氧化孔径外扩展, 导致了高阶模的大量损耗, 从而使VCSEL能够保持稳定的基横模工作. 根据该设计思路制备了一个直径为6 µm的大氧化孔径SM-VCSEL. 器件在80°C下可实现4.1 mW的高功率单基模工作, 最高边模抑制比为41.68 dB, 最高正交偏振抑制比为27.46 dB. 由于仅改变了器件的外延结构设计, 器件制备工艺与标准工艺流程完全兼容, 所以新设计的VCSEL具备较好的量产前景. 本文的结构如下: 首先, 介绍了VCSEL的基本外延结构及大氧化孔径的设计过程. 然后采用标准制备工艺过程制作了该VCSEL器件, 并对其光电性能进行了测试. 最后, 我们将新设计的VCSEL芯片作为抽运光源集成到了小型化的NMRG原型样机中, 测量了原子极化率和陀螺的共振信号比, 测试结果证明了新设计的VCSEL可以满足原子陀螺的应用需求.
2. 器件结构与设计
2.1 器件结构
VCSEL的外延和器件结构的剖面图如图1所示. 器件的外延结构从下至上依次包括: N型GaAs衬底、N型布拉格反射镜(distributed Bragg reflector, DBR)、量子阱(QWs)有源区、P-DBR以及位于P-DBR结构内的氧化层, 外延结构的每部分名称在图中采用红色字体标注. 有源区部分由3个6.8 nm厚的压应变In0.125Al0.14Ga0.735As/Al0.3Ga0.7As量子阱组成. N型和P型DBR分别由24/38对Al0.22Ga0.75As/Al0.9Ga0.1As层组成, 每层厚度为四分之一光学厚度(λc/(4n)), λc为VCSEL的共振波长, n为每层材料的折射率. 在VCSEL器件制备工艺过程中, 通过干法刻蚀形成如图1所示的台阶形状, 刻蚀深度超过量子阱层, 20 nm厚的Al0.98Ga0.02As层经湿法氧化后, 转化为低折射率的非晶态且电绝缘的(AlxGa1–x)2O3, 形成氧化孔. 器件的上表面包含SiO2绝缘层, 并刻蚀出电注入窗口, 生长P面金属电极并通过lift-off工艺形成如图所示的出光孔. 虽然真实的氧化孔是类似菱形的[24], 但VCSEL的整体器件结构仍然可以看成是近似轴对称的, 其中, 未氧化的中心区域具有较高的有效折射率Ncore, 可称为芯层; 氧化区域具有较低的有效折射率Nclad, 可称为包层, 类似于光纤结构. 芯层与包层的有效折射率差称为Δneff.
2.2 结构设计
VCSEL的激射波长由腔内共振波长 λc决定. λc处的有效增益称为腔模增益. VCSEL作为NMRG的泵源时, 工作温度超过80 ℃. 为了使VCSEL在该温度下的腔模增益最大化, 我们计算了6.8 nm In0.125Al0.14Ga0.735As/Al0.3Ga0.7As量子阱在不同温度下的增益谱, 如图2(a)所示, 用于增益谱计算的载流子密度为5×1018 cm–3. 图2(b)所示展示了不同温度下, 腔模位置的材料增益以及峰值波长. 在温度范围为80—90 ℃时, VCSEL的腔模增益最大, 对应室温时的腔模-增益失谐量约为10.8 nm. 当温度为80 ℃时, λc为794.44 nm. 由于氧化孔的存在, 使VCSEL在径向方向上形成芯层和包层具有折射率差Δneff的圆柱形波导, 实现了氧化物约束型VCSEL中的横向光限制. Ncore和 Nclad的计算公式如下[25-27]:
图 2 (a) In0.125Al0.14Ga0.735As/Al0.3Ga0.7As量子阱在不同温度下的增益谱; (b)腔模位置增益和波长随温度变化Fig. 2. (a) Gain spectra of In0.125Al0.14Ga0.735As/Al0.3Ga0.7As quantum wells at different temperatures; (b) the wavelength and gain at cavity-mode at different temperature.Nclad=∫nclad∗Ez∗dz∫E∗dz,Ncore=∫ncore∗Ez∗dz∫E∗dz, (1) 其中, ncore和nclad分别为材料折射率, Ez为电场沿Z方向的驻波分布. 减小氧化物孔径与驻波分布之间的重叠可以减少Δneff, 从而减小孔径处的衍射和对横模的约束. 在传统的VCSEL中, 厚度为30 nm的氧化层位于靠近有源腔的第一个驻波节点处, 这种结构中Δneff约为0.01. 本研究采用了一种新的设计方法, 将氧化层移至远离有源腔的第三驻波节点处, 并将其厚度减小到20 nm, 使Δneff 降至0.002.
利用麦克斯韦方程组和芯-包层界面的边界条件, 可以得到VCSEL的圆柱形波导所支持的横向电磁模, 其特性由波导的传播常数和特性场在横向面上的分布来表征[28]. 在弱引导近似(Δneff
≪ neff)中, 横向模式可以用LPmn模表示, 其中m为方位模数, n为径向模数. 在柱坐标中, LPmn模的电场振幅表达式如下:Emn(r, Φ, z)∝ejmΦ⋅e−jβmnz⋅Jm(umnr), r<ro (芯层), (2) Emn(r, Φ, z)∝ejmΦ⋅e−jβmnz⋅Km(vmnr), r>ro (包层), (3) 其中,
r,Φ,z 代表柱坐标系中的3个坐标轴,βmn 为传播常数,Jm 代表第一类m阶贝塞尔函数,Km 是第二类m阶修正贝塞尔函数, ro为氧化孔半径.umn 和vmn 的表达式如下:u2mn=k20N2core−β2mn, (4) v2mn=β2mn−k20N2clad, (5) 其中
k0 为真空中波数, 应用边界条件, 得到波导支持的模态以及相应的u和v参数值, 从而得到传播常数, 得到特征方程如下:umnJm+1(umn)Jm(umn)=vmnKm+1(vmn)Km(vmn). (6) 通过求解上述方程, 可以得到VCSEL中的横向模分布[28]. 在一个氧化孔直径固定的VCSEL中, Δneff越小, 可存在的横向模式数量越少. 本研究中采用了6 μm 的氧化孔直径, 传统结构的Δneff = 0.01, 计算得到的横向模数量超过了40个; 新设计结构的Δneff = 0.002, 计算得到的横向模数量仅为3个. 上述两种VCSEL设计的前三种横向模态LP01, LP11和LP21沿径向(r方向)的一维分布如图3所示, 氧化孔的边缘用黑色虚线标记. 如图3(a)所示, 当Δneff为0.01时, 孔径具有较强的光约束, 三种横向模式下均只有一小部分光漏出孔径. 当Δneff = 0.002时, 光约束减弱, 光泄露增加, 如图3(b)所示. 与基模LP01相比, 两个高阶模LP11和LP21有更多的光泄漏出孔径外. 氧化层中被氧化的区域主要是电绝缘的材料, 载流子被限制在VCSEL的氧化孔径内, 孔径外载流子浓度非常低, 光学损耗大. 因此, 采用新设计的VCSEL可以引入较大的高阶模损耗, 以防止其达到激光阈值, 保证大氧化孔径VCSEL以基横模LP01状态工作.
图 3 在折射率差为(a) 0.01和(b) 0.002的两个VCSEL中径向3个模式LP01, LP11, 和LP21 的分布Fig. 3. (a) Distribution of LP01, LP11, and LP21 modes along the radial direction of VCSELs with (a) Δneff = 0.01 and (b) Δneff = 0.002.3. 器件制备与性能测试
3.1 器件制备与测试
VCSEL的器件制备采用用标准工艺流程. 用感应耦合等离子体反应刻蚀形成一个直径20 μm的台面. 通过湿法选择性氧化Al0.98Ga0.02As层制作了直径6 μm的氧化孔. 300 nm的 SiO2绝缘层通过等离子体增强化学汽相沉积覆盖在整个器件的上表面. 电注入窗口是通过蚀刻位于台面中心的SiO2层形成的, 窗口直径为16 μm. 用磁控溅射设备沉积金属层, 并采用lift-off工艺步骤形成直径10 μm的发光孔径. 图4为用于VCSEL功率特性和光谱特性测试的系统原理图, 用于测试的VCSEL芯片以TO56形式封装, 并安装在商用的激光二极管控制底座上, 用于温度和电流控制, 电流和温度控制精度分别为0.001 mA和0.01 ℃. VCSEL发出的光经过偏振片选择偏振方向, 再通过准直透镜准直后被分束镜分成2路, 一路用于测试激光的光谱及偏振特性, 一路用于测试VCSEL的功率特性. VCSEL的光谱和功率数据分别采用光谱仪和功率计采集. VCSEL的近场光斑测试是采用一个100倍的目镜和CCD相机来直接对VCSEL的腔面进行成像.
图 4 VCSEL的功率特性的光谱特性测试系统原理图Fig. 4. Schematic diagram of the power and spectrum characteristic test system of VCSEL.3.2 结果及讨论
VCSEL在不同温度及不同电流下的光谱特性如图5所示. 图5(a)展示了VCSEL在25 ℃时, 不同电流下的光谱, 当电流≤5 mA时, 器件能保持稳定的单模工作. 图5(b)展示了电流固定为5 mA, 在不同温度下的器件光谱, 温度为80 ℃时, 激光波长为794.45 nm, 与设计的λc一致, 边模抑制比(side-mode suppression ratio, SMSR)为41.68 dB. 图6为当温度为80 ℃时, 电流在2—5 mA范围内, VCSEL的近场光斑分布. 所有近场均呈单瓣类高斯分布, 进一步证明了VCSEL的单横模工作状态.
图 5 器件在不同电流 (a)及不同温度(b)下的光谱特性Fig. 5. Spectral characteristics of VCSELs with different injection current (a) and different temperature (b).
图 6 VCSEL在80 ℃下不同电流下的近场光斑Fig. 6. Near field patterns of VCSEL under different current at 80 ℃.VCSEL在不同温度下的功率-电流-电压特性如图7(a)所示. 随着温度从25 ℃升高到80 ℃, 器件的斜率效率略有下降, 最大输出功率从4.85 mW下降到4.1 mW. 根据电流-电压曲线拟合得到的器件的电阻值约为50 Ω, 远小于传统结构采用小氧化孔径的VCSEL的电阻值, 这进一步证明了新结构中所采用的大氧化孔径可以降低器件电阻并增大光电转换效率. 新结构VCSEL的阈值电流高于传统小孔径SM-VCSEL的阈值电流, 后者的典型值小于 0.5 mA, 这是由于孔径面积的增大以及新设计引入了部分基模损耗. 与预期的设计结论不同的是, 该器件的阈值电流在40 ℃时最小, 达到0.89 mA, 在80 ℃时增大到1 mA, 如图7(b)所示. 按照理论设计的预测, 当温度范围为80—90 ℃时, VCSEL的腔模增益最大, 此时其阈值电流应该最小, 如图2(b)所示. 这种现象是由于高温下量子阱载流子限制的降低导致VCSEL的内部量子效率下降造成的.
图 7 (a) VCSEL的功率电流曲线; (b)阈值电流随温度变化Fig. 7. (a) Power-current characteristics of the device; (b) threshold current varying with temperature.VCSEL的偏振特性在原子传感应用中具有非常重要的意义[29,30]. 一般情况下, VCSEL的输出激光具有椭圆偏振特性, 沿着相互正交的两个偏振方向分别具有功率最大和最小值, 可称为p-偏振和s-偏振. 图8(a)所示为器件沿两个正交偏振方向的输出功率. 计算得到的正交偏振抑制比(orthogonal polarization rejection ratio, OPSR)为24.07 dB. 图8(b)显示了在80 ℃和5 mA下的偏振分辨光谱. p-和s-偏振模式的最大峰差为27.46 dB. 这种高OPSR得益于新设计的VCSEL本身具有数量有限的可存在的横向模式数目以及高的输出功率.
图 8 (a) VCSEL的偏振功率曲线; (b) 80 ℃, 5 mA时的偏振光谱Fig. 8. (a)Optical power of VCSEL in different polarization angles at 80 ℃; (b) polarization-resolved spectrum of VCSEL at 80 ℃ and 5 mA.3.3 应用验证
将新设计的VCSEL芯片集成到小型化的NMRG原型机中, 进一步研究VCSEL的性能, 并测试其原子极化率和磁强计灵敏度. 如图9所示, 实验装置由抽运激光器、探测激光器、光学元件、碱金属原子气室、烘箱、光电二极管探测器和线圈组成. 玻璃气室中含有碱金属原子Rb和Xe气体, N2为淬火气体, 4He为缓冲气体. 采用四层圆柱形磁屏蔽减小外部磁场. NMRG的工作原理见文献[31].
原子自旋极化率直接影响着核磁共振陀螺的信噪比, 对陀螺的性能至关重要. 偏振度主要由抽运光源决定, 以保证其能反映光源的性能. 采用自由感应衰减法(free induction decay signal, FID)测定了核自旋极化. 施加π/2脉冲驱动Xe原子后, Xe原子的横向极化发生振荡并衰减. 根据磁强计的初始脉冲振幅和标度系数计算出核自旋极化值. 图10为测试的Xe原子的FID信号, 对比测试了商用DBR激光器和新设计的VCSEL激光器分别作为抽运光源时, 陀螺系统的FID信号, 计算得到采用商用DBR激光器, 系统的原子自旋极化率为6%, 采用新设计VCSEL, 系统的原子自旋极化率为5%. 图11为分别采用两种激光器作为抽运光源, 测试的陀螺系统的信噪比, 采用商用DBR激光器, 系统的信噪比约为60 dB, 采用新设计VCSEL, 系统的信噪比约为53 dB. 陀螺系统的这两组测试结果表明: 新设计的VCSEL已经可以满足NMRG的初步应用.
图 10 采用(a)商用DBR激光器和(b)新设计VCSEL激光器作为NMRG的抽运源测得的系统FID信号Fig. 10. The FID signal of the NMRG system obtain by using (a) commercial DBR laser and (b) newly designed VCSEL laser as the pump source.
图 11 采用(a)商用DBR激光器和(b)新设计VCSEL激光器作为NMRG的抽运源测得的系统信噪比Fig. 11. The signal-to-noise ratio of the NMRG system obtain by using (a) commercial DBR laser and (b) newly designed VCSEL laser as the pump source.4. 结 论
本文提出了一种具有大氧化孔径的795 nm SM-VCSEL. 通过轻微地降低高铝氧化物层的厚度, 并将其适当地转移到远离有源腔的电场模态节点上, 可以实现大孔径VCSEL的单横模工作. 这种设计只需要修改少数的p-DBR对. 由于VCSEL中横模数量的显著减少和高模式损耗的引入, 使器件能保持高功率单横模工作. 在80 ℃时, 最大输出功率为4.1 mW, SMSR为41.68 dB. 良好的单色性也使OPSR值达到27.46 dB. 在NMRG系统中的应用验证进一步证明了新设计的VCSEL的高性能.
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图 2 (a) In0.125Al0.14Ga0.735As/Al0.3Ga0.7As量子阱在不同温度下的增益谱; (b)腔模位置增益和波长随温度变化
Fig. 2. (a) Gain spectra of In0.125Al0.14Ga0.735As/Al0.3Ga0.7As quantum wells at different temperatures; (b) the wavelength and gain at cavity-mode at different temperature.
图 3 在折射率差为(a) 0.01和(b) 0.002的两个VCSEL中径向3个模式LP01, LP11, 和LP21 的分布
Fig. 3. (a) Distribution of LP01, LP11, and LP21 modes along the radial direction of VCSELs with (a) Δneff = 0.01 and (b) Δneff = 0.002.
图 4 VCSEL的功率特性的光谱特性测试系统原理图
Fig. 4. Schematic diagram of the power and spectrum characteristic test system of VCSEL.
图 5 器件在不同电流 (a)及不同温度(b)下的光谱特性
Fig. 5. Spectral characteristics of VCSELs with different injection current (a) and different temperature (b).
图 6 VCSEL在80 ℃下不同电流下的近场光斑
Fig. 6. Near field patterns of VCSEL under different current at 80 ℃.
图 7 (a) VCSEL的功率电流曲线; (b)阈值电流随温度变化
Fig. 7. (a) Power-current characteristics of the device; (b) threshold current varying with temperature.
图 8 (a) VCSEL的偏振功率曲线; (b) 80 ℃, 5 mA时的偏振光谱
Fig. 8. (a)Optical power of VCSEL in different polarization angles at 80 ℃; (b) polarization-resolved spectrum of VCSEL at 80 ℃ and 5 mA.
图 10 采用(a)商用DBR激光器和(b)新设计VCSEL激光器作为NMRG的抽运源测得的系统FID信号
Fig. 10. The FID signal of the NMRG system obtain by using (a) commercial DBR laser and (b) newly designed VCSEL laser as the pump source.
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