Photodigm DBR 激光二极管结构与同类 DFB 设计的对比

I. 背景

Photodigm 系列高功率边缘发射分布式布拉格反射器 (DBR) 激光二极管基于 Photodigm 专有的单一外延生长 DBR 激光结构。 如图 1 所示，Photodigm DBR 激光器结构包括一个增益区和一个独立的 DBR 光栅区，它们是在一个连续的脊波导上单片制造的。 通过这种设计，Photodigm 生产出了世界上功率高的商用单频单片激光二极管，用于波长范围为 740 至 1083 nm 的仪器、计量和光谱分析。 多年来，Photodigm DBR 激光器已证明自己非常适合需要在明确定义的工作范围内实现高功率单频性能的应用。 Photodigm 与客户合作开发了业内较好的产品系列，在稳定性、可靠性和功率方面进行了优化，适用于光谱学、原子物理学、非线性光学和光纤放大器等领域的精密应用。

图 1. Photodigm 公司生产的单片 DBR 激光器的制造步骤。 
DBR 激光器是较早的单频激光器之一，开发始于 20 世纪 70 年代。 20 世纪 90 年代，SDL 将其投入商业生产，用于需要与波长为 780、852 和 1083 nm 的原子跃迁产生共振的研究应用。 20 世纪 90 年代末到 21 世纪初电信业的蓬勃发展迫使激光制造商集中精力满足电信应用的爆炸性需求。分布式反馈激光器能满足波分复用对低功率信号激光器的需求，到 2000 年代初，用于仪器和计量的 DBR 激光器已从市场上消失。 此外，电信所需的 1300 和 1550 nm 激光器是由 InP 制成的，而 InP 具有有利于 DFB 制造的加工化学性质。 

到 2002 年，几家制造商利用在电信领域大获成功的 DFB 结构填补了 SDL 的空白。 DFB 激光器的特点是功率相对较低。 作为 AlGaAs 激光器的特点，它们的化学处理过程比较困难，而且在仪器设备所需的较高功率下运行时可靠性较差。

2007 年，Photodigm 推出了基于单一外延生长 DBR 架构的产品线，直接与 780 至 1083 nm 波段的 DFB 激光器竞争。 这种新产品的目标是提供比 DFB 更高功率和更高可靠性的产品，同时提供一种生产途径，通过单生长外延提高制造的可扩展性。 Photodigm 的 DBR 激光器为近红外波段仪器激光器用户提供了独特的技术选择。 与 DFB 激光器相比，DBR 激光器具有更高的性能和更好的可靠性，因此用户很快就开始重视 DBR 激光器，Photodigm 的 DBR 激光器现已被公认为原子捕获、计量和仪器仪表等应用的性能标准，这些应用需要高功率、窄线宽、高可靠性以及锁定并保持特定频率的能力。 

二、Photodigm DBR 激光器 Photodigm DBR 激光器
Photodigm DBR 激光器是在砷化镓晶片上一次生长出多个外延层。 Photodigm 工程师利用专有软件和多年的激光设计经验设计外延层。 外延层由一个或多个高折射率量子阱组成，周围是低折射率包层，这些包层将形成波导。 在外延层精确生长之后，激光器结构的表面特征被制作出来，从而形成一个整体的、单模的折射率引导脊波导，贯穿整个器件的长度。 激光谐振器由一个电泵浦增益脊区和一个无源 DBR 脊区组成。 增益脊的设计和蚀刻深度非常精确，可通过向量子阱注入电流以单一空间激光模式工作。独立的 DBR 区域是一个波长选择性布拉格反射镜，可在较窄的光谱带宽内提供反馈。 通过将 DBR 的反射率与 epi 的增益带宽重叠，DBR 镜将选择增益较高的单一纵向模式，从而在精确波长上产生高度稳定的光束。谐振腔由一端的高反射 DBR 镜和另一端经过钝化和抗反射 (AR) 镀膜处理的劈裂出口面组成。 涂有 AR 涂层的出口面是衍射极限光束的外耦合器。

图 2. 显示器件主要特征的 DBR 激光器横截面图。 
这种设计的一个特点是在脊波导无源区量子阱上方的半导体包层中蚀刻表面光栅。 然而，波导模式与 DBR 具有很强的耦合性。 该模式在光栅的谐振波长处发生周期性反射。与 DBR 不共振的纵向模式没有反馈，因此会丢失。 DBR 镜由高指数和低指数材料交替层组成。 在蚀刻 DBR 中，光栅齿为高折射率材料，低折射率光栅空间由低折射率电介质填充。 在 500 微米长的 DBR 镜面上，Photodigm DBR 可能有多达 2000 个光栅齿。 光栅结构的高指数对比使布拉格反射镜的谐振反射率超过 90%。

III. DFB 激光器 
还有一种可与之竞争的结构可用于生产单频激光二极管，即分布式反馈（DFB）激光器。 DFB 激光器和 DBR 激光器在窄线宽和可调谐性方面有许多相同的特点。 DBR 具有一个与增益区分离的布拉格反射器，而 DFB 激光器的反馈结构由一个低对比度、弱反射的布拉格反射器组成，沿增益脊的整个长度分布，因此被称为分布式反馈激光器。 DBR 是在单一生长外延上制造的，而 DFB 则需要将光栅埋在高折射率层下，在光栅上外延再生长，以形成波导。 见图 3。 这种制造工艺上的差异导致了这两种结构的工作特性之间的重要区别。

图 3. DFB 激光器结构示意图
DFB 磊极一开始是两个低折射率包层之间的高折射率量子阱结构。 增益脊是通过蚀刻上覆层沿着激光结构的整个长度制作的。 同样，光栅区域也是沿着增益区域的整个长度制作的。 为了限制模式并产生所需的光栅反馈响应，必须在蚀刻的包层上外延再生低指数包层。此外，还必须再生长一个高掺杂帽层，用于注入电流。 DFB 的特征是埋入光栅。 

由于 DFB 激光器在设计时考虑了增益脊的反馈，因此不需要端面反射镜。 然而，在完全对称的情况下，布拉格波长处的对立反射是反谐振的，或者说是破坏性的，在布拉格波长处不会发生激光。 然而，在布拉格波长附近会产生两个等距的模式，这两个模式之间的差值被称为停止带。 为了实现单纵向模式性能，激光器的制造需要破坏对称性。 通常的做法是在激光器的一端涂上一层防反射涂层，这样就会使一种模式比另一种模式更有利，激光器就会在有利的模式下工作。 

IV. DBR 激光器与 DFB 激光器的区别
这两种结构的区别在于光栅在外延结构中的位置。 DBR 使用高指数对比度、高反射率的表面光栅。 DFB 使用低指数对比度、低反射率的埋入光栅。 这两种结构都以精心设计的外延晶片为起点。 两者都依赖于蚀刻、光刻和化学气相沉积等复杂的半导体制造技术。 然而，在精确制造出脊状波导和光栅结构之后，DFB 还必须经过进一步的外延再生长步骤，以便在金属化之前制造出低折射率对比的分布式反馈光栅。 相比之下，DBR 只需经过简单的 CVD 介电层即可封装器件，为金属化做好准备。 

用于 740 纳米到 1083 纳米激光二极管的 GaAs/AlGaAs 材料系统的再生长是一个困难的过程。 铝和砷化镓对氧气具有反应性。 在 DFB 制造过程中，在第一和第二生长步骤之间的脊和光栅加工过程中，外延表面会受到大气氧化和污染的影响。 保罗-德鲁德研究所的研究人员在 2001 年的一篇论文(1)中详细研究了大面积激光器对器件性能的影响。 他们发现，由于重新生长，砷化镓（822 纳米）和砷化镓铟（986 纳米）量子阱器件的内部损耗都增加了约 2 倍。 AlGaAs 激光器的增益系数也下降了 2 倍，而 InGaAs 激光器的增益系数则上升了。 986 纳米器件增益系数的增加归因于随后的退火步骤，而退火步骤对 822 纳米器件没有影响。 这些研究人员得出结论，再生器件性能较低的原因是再生界面的残留污染形成了作为非辐射重组中心的缺陷态。与 DFB 激光器相比，无再生 DBR 激光器的缺陷水平更低，因此功率更高，可靠性更好。 Photodigm DBR 激光器通常具有更低的阈值电流、更高的斜率效率，额定功率水平比相同波长的同类 DFB 激光器高出两到三倍。多个用户报告称，与 DFB 激光器相比，DBR 激光器的线宽更窄。虽然尚未进行研究以确定出现这种情况的原因，但 Photodigm 认为这是由于外延在再生过程中产生的缺陷造成的。 腔长、工作功率和制造细节也可能导致 DFB 的噪声高于 DBR。 

由于存在再生问题，人们开始努力制造无需再生的 DFB 激光器。 在脊波导上使用横向光栅的 DFB 激光器已经提出（2），并已投入市场销售，但迄今为止，这些激光器只能提供较低的功率水平（<25 mW），因此在近红外波段无法与 DBR 激光器竞争。 

这两种结构的另一个主要区别与模式选择有关。 按照制造工艺，DBR 激光器只在单一纵向模式下工作，该模式在布拉格反射器的反射率曲线与外延增益带宽的重叠范围内具有较高增益。电流通过增益脊时，增益脊会发热，增益带宽随之发生红移。DBR 区域由于是被动的，其光谱反射率保持不变。 当通过改变电流或温度对激光器进行调谐时，激光模式的波长会随着外延增益曲线的移动而发生单调变化。 但是，DBR 光栅的光谱反射率不会改变，因为没有电流流过它。 随着激光模式的变化，它会移动到 DBR 反射率较低的部分。 最终，另一种模式会受到 DBR 镜的青睐，这种新模式将获得增益。 激光器将跳转到新模式，并重新返回调谐曲线。 除了跳模的不连续性，波长调谐是确定性和预测性的。 

在制造过程中，DFB 激光器有两个工作模式，每个模式与光栅的布拉格波长等距。 这并不实用。 要实现单模运行，必须破坏对称性，通常是在一个面上镀一层 AR 膜。缺失模式周围的光谱间隙被称为 "停止带"，激光在此区域无法工作。由于光栅和增益区都会因注入电流的增加而发热，因此两者都会在很长一段时间内单调地调整，而不会出现模式跳跃。 然而，增益最终会降低到足以使激光变得不稳定的程度，从而出现新的模式。 激光器的初始条件，包括反对称性、刻面反射率、外延增益带宽和光栅带宽的微调组合都不复存在。 激光会在停止带内跳模，形成光谱禁区。 

DFB 激光器和 DBR 激光器的用户在激光器运行过程中会体验到明显不同的行为。 随着电流的增加，DBR 将以大约 0.002 nm/mA 的特性斜率进行单调调谐。 当达到跳模点时，DBR 激光器会发生可预见的蓝移，并回溯到正常发生的红移。通常情况下，模式跳变的自由光谱带宽为 0.15 nm，具体取决于特定器件。 图 4 是 DBR 的典型调谐曲线，显示了确定性跳模行为。 DFB 将以类似的特征斜率进行单调调谐。 但是，由于外延和光栅反射率的同时偏移，DFB 的自由光谱范围将比 DBR 大得多。 由于 DFB 在其工作范围内会发生红移，因此其自由光谱范围可达到 2-3 nm。DFB 的自由跳模可调性通常高于 DBR，这也是 DFB 相对于 DBR 的明显优势。 然而，当发生跳模时，它并不是确定的，而且跳模的方式会在调谐范围内留下一个缺口。由于这种行为，生产出的 DFB 激光器在模式希望行为方面通常会有大量 "分选"，并向最终用户提供多种 "变体"。 这些变体是针对特定的跳模行为而选择的。

图 4. Photodigm DBR 激光器的典型调谐曲线。 随着电流的增加，激光器的波长会随着器件的升温而发生红移。 最终会发生蓝移，转为更高的增益模式。 因此，调谐是确定性的，也可以实现特定波长。 

这种非确定性模式跳变行为与 Photodigm 所称的 "致命模式跳变 "有关，在需要锁定特定波长的应用（如铷共振）中使用的看似乖巧的 DFB 激光器经常会遇到这种情况。 激光二极管中超过数千安培/平方厘米的高电流密度会导致增益介质老化。 随着增益介质的老化，电流会增加，从而导致增益曲线发生红移。由于 DBR 激光器中的光栅是在脊波导的无源区制造的，因此 DBR 的反射光谱保持不变。 当外延的增益带宽发生充分的红移，以至于激光模式不再是最高增益模式时，一个新的、波长更短的模式将获得增益并成为激光模式。激光器会经历一次蓝移模式跳变，重新回到前一个模式的波长，从而在明确定义的范围内提供连续可调谐性。 实际范围取决于多种设计和制造特性。 

DFB 采用不同的路径。 由于电流同时流经光栅和量子阱，两者的老化速度相似，老化过程中会发生红移。 由于光栅的反射带宽小于外延的增益带宽，最终光栅的反射率会下降，从而使激光模式不再是较高增益模式。 然而，没有任何机制能使激光恢复到更短的波长。 激光模式会穿过停止带跳到更长的波长上，从而在激光器的可调谐范围内留下一个不连续性 (3)。见图 5。 例如，当铷共振线落在可调谐间隙内时，激光器就达到了有效寿命，成为 "致命跳模 "的牺牲品。

图 5. DFB 激光器的典型调谐曲线 (3)。随着电流的增加，激光器的波长会随着器件的升温而发生红移。最终，波长会向增益更高的模式发生红移，从而在调谐范围内留下一个缺口。如果所需的波长存在于间隙内，这就是致命的跳模。图表来自参考文献 3。    

V.  总结
DFB 和 DBR 激光器是当今科学仪器中常用的两种高功率单频半导体激光器。 这两种激光器都具有高效率和出色的光谱纯度，从而使许多计量仪器成为可能。 尽管它们有许多相似之处，但这两种结构却表现出截然不同的特性，从而影响了它们在特定应用中的性能。

Photodigm DBR 激光器在多种应用中均表现出高功率、高可靠性、低噪声、低线宽和长寿命的稳定工作特性。 单生长外延和独立的无源 DBR 区域是 Photodigm DBR 激光器区别于同类 DFB 激光器的主要原因。 

参考资料

(1) M. Wassermeier, R. Hey, M. Horicke, and E. Wiebicke, Semicond. Sci. Technol. 16:L40-L43.

(2) R. Tiberio, P.F. Chapman, Electronics Letters 30:1058-1060 (1994).

(3) Klehr, A.; Wenzel, H.; Brox, O.; Erbert, G.; Nguyen, T-P.; Trankle, G. (2009). "High power DFB lasers for D1 and D2 rubidium absorption spectroscopy and atomic clocks". Proc. of SPIE 7230: 72301I-1–8. doi:10.1117/12.805858