--翻译自M. Faugeron、M. Krakowski1等人2014年的文章

3. 选定的结构和器件制造

A.选定的设计

我们使用由 InP 和 InGaAsP （λg = 1.17 μm） 组成的“稀释”板层不对称包层结构。事实上，这种四元材料与势垒材料相同，板层厚度为1.62μm，以尽可能减少p掺杂层内的光学限制，并将QW内的限制保持在 2% 左右，这是为了保持低阈值电流、低RIN和相当大的弛豫频率。

B.MOPA结构

通过金属有机气相外延（MOVPE）在n-InP衬底上生长了多量子阱DFB，有源区域包含六个 8 nm 厚的压缩 （0.85%） 应变 InGaAsP 量子阱和五个 10 nm 厚的 InGaAsP （λg = 1.17 μm） 势垒。发光峰为1.57 μm。在第一次外延之后，通过电子束光刻和电感耦合等离子体ICP反应离子刻蚀来定义一阶光栅，ICP蚀刻后光栅的原子力显微镜AFM图像如图6所示。将InGaAsP光栅层置于有源区上方，并优化光栅层厚度，以获得耦合强度ΚL~1.4。这种低 ΚL 值应该会限制空间空穴燃烧效应和光功率饱和。然后使用MOVPE生长p掺杂顶部包层，再使用离子束刻蚀形成DFB激光器和调制器的双通道脊波导，然后进行湿化学刻蚀和质子绝缘。脊波导的宽度为 3.0 μm。该值可以最大限度地降低热饱和，同时保持横向单模操作。4μm 厚的金层作为散热器沉积在表面上，并允许在更安全的条件下进行电气键合。Bar切割为 4mm和 5mm长的器件。在DFB激光器背面端面上涂高反涂层HR，在SOA端面上涂抗反涂层AR。从bar条获得的芯片p 面朝上安装在氮化铝 AlN底座上，示意图如图7所示。

图 6.在外延再生长之前对布拉格光栅的AFM测量。

图 7.MOPA安装在AlN底座上。

4. 器件表征

所有 MOPA 测量均在安装在 AlN 底座上的器件上完成，电流通过电探针注入DFB和调制器的，并通过大金属带（为了降低电阻并允许高电流值）注入喇叭形SOA。通过粘在底座上的热敏电阻监测温度，进而控制基板温度在18°C下完成全部测量。

斜 MOPA 无法正常工作，因为 DFB 激光器无法激射，下面我们将重点介绍直和曲 MOPA。

A.直 MOPA

我们首先测试直 MOPA。尽管该器件的输出可达到数百mW，但这种结构会有多模和跳模现象。首先，在其光谱上可看到多模，如图8a中，可以看到1582 nm（光栅波长）以及1595 nm附近的一些峰值，这种多模式行为随电流不同而变化。对于某些电流组合配置（DFB、激光器、调制器和喇叭形SOA），光谱似乎是单模的，但当我们对信号进行电学表征时，我们会看到一些不同频率的峰值，如图8b，这些峰值在光学模式之间跳动。在图8b，我们得到了5和6 GHz之间的基频，以及二次和三次谐波。当DFB电流发生变化时，频率跳动会发生变化。

正如预期的那样，由于直MOPA的光谱的不稳定性，使得无法在激光雷达系统中使用。

图 8.直线MOPA的光谱（a）和电光谱（b）。

B.曲 MOPA

下面对曲MOPA进行了表征测试。MOPA总长4mm（1mmDFB激光器、1mm调制器和2mm喇叭形SOA），当激光器偏置电流为400mA，调制器偏置电流为300mA，SOA偏置电流为3A时，最大输出功率约为430mW，如图9a，相应的光谱如图9b所示，边模抑制比SMSR优于45dB。输出功率受到喇叭形SOA 热饱和的限制。与[10]（4.64 kA.cm-2）等类似结构相比，我们的饱和出现在电流密度（2kA.cm-2）下。我们认为这是由于p侧接触退火过程中的制造问题造成的。

图 9.曲MOPA的功率与火炬SOA电流（a）和光谱（b）的函数关系

SOA各种偏置电流对应的光谱如图10a所示，我们观察到，在改变SOA和调制器偏置电流时，仍等保持稳定单模，看不到由于反射引起的波长波动。图10b是DFB激光背面（DFB背光端面，蓝色曲线）和SOA输出（SOA端面，红色曲线）的光谱比较。曲线的形状是相同的，喇叭形 SOA 只是充当放大器，不会改变峰值波长。

图 10. （a）喇叭形SOA不同电流下的光谱，（b）曲MOPA的两个端面的光谱。

在相干激光雷达或自由空间通信等应用中光学线宽是重要参数。我们使用1km SMF长度的延迟自外差方法来测试我们的器件，并使用低噪声电流源来给激光提供偏置电流。光学线宽用洛伦兹曲线拟合：提取的FWHM值代表DFB激光器的本征线宽[6]。5 mm 长器件（1 mm DFB、1 mm 调制器和 3mm SOA）的线宽随 DFB 激光电流的函数关系如图 11a所示。对于单个DFB，当DFB电流增加时，激光腔中的光子密度增加，光学线宽减小（线宽与光子密度成反比）。图11b是SOA各种电流下线宽的演变。我们测量了0.1至40 GHz范围内相同曲MOPA的相对强度噪声RIN，如图12a。即使在高DFB偏置电流下，弛豫频率也仍低于5 GHz。图12b是一个在DFB激光器背面端面（直线）和SOA输出端面（虚线）处测量的RIN的比较，弛豫频率的位置和水平是相同的。

图 11. （a）线宽与DFB偏置电流（b）线款和SOA偏置电流的对应关系

图 12.（a）RIN与DFB偏置电流关系（a）DFB背光面和SOA输出面RIN对比

五、总结

在本文中，我们报告了1.58 μm单片集成半导体MOPA器件的设计、制造和表征。目标是开发一款MOPA器件，包括 DFB 激光器、调制部分和高功率放大器。我们设计并制作了 3 种结构：直、斜和曲，并对曲和直结构的MOPA进行了表征和比较。

直MOPA存在光谱不稳定的现象，这主要是由于端面反射带来的，不适用于需要稳定的峰值波长的系统。我们还对曲MOPA进行了详细的表征，由于反射的减少，波长稳定性大大增强。该曲MOPA在 1.58 μm处的输出功率超过400mW，SMSR 优于45dB。输出功率受到由于制造过程中的欧姆接触问题带来的限制，欧姆基础问题导致电流密度降低。我们在 FWHM 处获得了约 5 MHz 的光线宽，这满足了 CO2 探测激光雷达应用需求。

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