与传统的F-P腔半导体激光器不同,半导体环形激光器利用闭合波导回路作为光学谐振腔,并利用与其相邻的bus波导将激光耦合输出。一方面,它在形成激射时不需要解理面或光栅提供光反馈。另一方面,由于在波导环形回路中存在两束传播方向相反的光,所以其本身就具有理想的双稳态输出特性。因此它成为实现全光逻辑与全光存储单片集成的最具潜力的器件。随着研究的不断深入,其应用范围已从早期的集成光源和激光陀螺扩展到光随机存储器、全光逻辑、光开关和波长转换器等方面,并在光互连、光网络和光存储等领域产生了重要的影响。本文采用波长为1550nm的InP衬底激光器外延材料,经过对器件结构的精心设计和关键工艺的反复实验,成功地研制出了具有单向交替传输双稳态工作区的半导体环形激光器,并对该器件进行了电学和光学测试。主要研究内容如下。本文选择具有分别限制结构和应变的多量子阱结构的AlGaInAs/InP多量子阱激光器材料。这是由于AlGaInAs/InP四元系材料体系可以分别调整材料的禁带宽度和晶格常数,形成具有应力的量子阱,大大减小阈值电流。并且含Al的材料对电子限制能力更强,使激光器具有更稳定的温度特性。为了满足40GHz光通信的要求,在器件尺寸和形状方面,设计了周长为2176μm的圆环形和跑道形环形激光器。在波导结构方面,设计了浅刻蚀(刻蚀深度=2010nm)和深刻蚀(刻蚀深度=4170nm)两种波导结构。为了降低对环形激光器的背向散射,对定向耦合的bus波导进行了精心的设计,并且在bus波导上设计了集成PD以检测其光电流。在制作工艺中,本文着重讨论了三种关键工艺,波导隔离槽的湿法腐蚀,脊形波导的干法刻蚀和芯片平坦化工艺。器件的电学测试结果表明,浅刻蚀和深刻蚀的环形激光器的电学性能良好,正向开启电压小于0.5V,反向击穿电压大于10V。器件的光学测试结果表明,浅刻蚀的环形激光器显示了良好的单向交替传输的双稳态工作区,其阈值电流为55mA。当注入电流为61mA时,其出射激光的中心波长为1569.65nm,边模抑制比为25dB,并且其相邻两个纵模之间的间隔为0.33nm,满足40Gbit/s的光通信的要求。
