一种激光器分布式电流设计方法与流程

1.本发明涉及激光器技术领域，特别涉及一种激光器分布式电流设计方法。


背景技术：

2.激光器工作时在有源区载流子实现粒子数反转，要求在高能态导带底的电子数比处于低能态价带顶的空穴数目多很多，需要向激光器的各个有源层注入必要的载流子实现，将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。而在半导体激光器中为了使激光器单模输出，需要在激光器中增加相移，光场分布集中在激光器的某个位置。目前激光器设计中，未考虑优化激光器加电情况，激光器电极电流均匀分布，但实际由于激光器设计时存在相移，激光器的光场分布中间较为集中。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于，提供一种激光器分布式电流设计方法。本发明可以使得激光器电流分配按照光场分配情况进行，光场增强的部分载流子浓度高，更有利于光电转化。
4.本发明的技术方案：一种激光器分布式电流设计方法，在激光器表面生长集成薄膜电阻，然后推导激光器各位置电阻数值和激光器电流注入情况，根据计算结果对激光器表面薄膜电阻阻值分布进行设计，从而控制激光器电流分布情况，使得激光器电流分布峰值与激光器光场分布峰值相近。
5.上述的激光器分布式电流设计方法，所述激光器各位置电阻数值和激光器电流注入情况的推导是将激光器模型等效为多二极管级联模型，根据基尔霍夫定律计算得到：
6.v(x+dx)＝i(x)ρ(x)dx+v(x)；
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(1)
7.i(x+dx)＝j(v(x+dx))dx+i(x)；
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(2)
8.式中：v(x)表示位置为x处的电压数值，i(x)表示位置为x处的电流数值，ρ(x)表示位置为x处的电阻率数值，ρ(x)dx为在位置x与位置x+dx之间的电阻数值，j(x)为位置为x处的电流密度；
9.设激光器的内阻分布均匀ρ(x)＝ρ，当激光器为中间点注入电流，电流向两侧流动，则有：
[0010][0011]v′
(x)＝i(x)ρ；
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(4)
[0012]i′
(x)＝j(v(x+dx))＝j(v(x))；
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(5)
[0013]v″
(x)＝i
′
(x)ρ＝j(v(x))ρ；
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(6)
[0014]
式中：v'(x)为位置为x处的电压函数的一阶导数；i'(x)为位置为x处的电流函数的一阶导数；v”(x)为位置为x处电压函数的二阶导数；
[0015]
注入激光器的电流密度与注入电流点处电压的关系根据激光器件的i-v曲线获得，为一次函数关系，表示为：
[0016]
j(v)＝kv+b； (7)
[0017]
式中：k为激光器等效模型的电阻阻值；b为激光器等效模型的开启电压；v为注入电流点处电压；
[0018]
则有：
[0019]v″
(x)＝i
′
(x)ρ＝(kv(x)+b)ρ；
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(8)
[0020]v″
(x)-kρv(x)＝bρ；
ꢀꢀꢀ
(9)
[0021]
上述方程为二阶常系数非齐次线性微分方程，具备一下方程解的形式：
[0022]
v(x)＝c1exp(λx)+c2exp(-λx)+c3；
ꢀꢀꢀ
(10)
[0023]
其中：c3＝-b/k；c1和c2为两个未知数；exp()为以自然常数e为底的指数函数；
[0024]
再根据电流的条件得下式：
[0025]
i(l)ρ＝c1λexp(λl)-c2exp(-λl)；
ꢀꢀꢀ
(11)
[0026]
式中，l为激光器电极总长度；
[0027]
联立电压和电流的条件，以求出c1和c2：
[0028][0029][0030]
求出c1和c2后再解方程(10)得到位置为x处的电压数值v(x)，再以位置为x处的电压数值v(x)求得位置为x处的电流数值i(x)。
[0031]
前述的激光器分布式电流设计方法，对于内阻分布不均匀情况，以v(x)＝c1exp(λx)+c2exp(-λx)+c3公式进行求解位置为x处的电压数值v(x)，再以位置为x处的电压数值v(x)求得位置为x处的电流数值i(x)。
[0032]
与现有技术相比，本发明通过对激光器表面薄膜电阻阻值分布进行设计，从而控制激光器电流分布情况，使得激光器电流分布峰值与激光器光场分布峰值相近，有利于提高激光器主模转化效率，优化激光器单模特性，提高激光器的单模抑制比。此外，本发明的激光器电流结果同时也可以与载流子输运仿真结果相结合，进而控制激光器内部载流子分布情况和激光器内部模式激发。
附图说明
[0033]
图1是将激光器模型等效为多二极管级联模型示意图；
[0034]
图2是激光器的电流注入示意图；
[0035]
图3是脊波导上分布着均匀的20ω电阻时，从一侧(0μm处)注入电流从20到100ma变化时，整个腔中电流密度的分布示意图；
[0036]
图4是本发明实施例的电流分布情况示意图；
[0037]
图5是本发明实施例的激光器光场分布示意图；
[0038]
图6表示激光器未进行电流分布时光谱图；
[0039]
图7表示激光器进行了电流分布设计的光谱图。
具体实施方式
[0040]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
[0041]
实施例：一种激光器分布式电流设计方法，在激光器表面生长集成薄膜电阻，然后推导激光器各位置电阻数值和激光器电流注入情况，根据计算结果对激光器表面薄膜电阻阻值分布进行设计，从而控制激光器电流分布情况，使得激光器电流分布峰值与激光器光场分布峰值相近。
[0042]
具体的，所述激光器各位置电阻数值和激光器电流注入情况的推导是将激光器模型等效为多二极管级联模型，如图1所示，根据基尔霍夫定律计算得到：
[0043]
v(x+dx)＝i(x)ρ(x)dx+v(x)；
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(1)
[0044]
i(x+dx)＝j(v(x+dx))dx+i(x)；
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(2)
[0045]
式中：x是以激光器为坐标轴时，一端点为远点，所处的x位置；v(x)表示位置为x处的电压数值，i(x)表示位置为x处的电流数值，ρ(x)表示位置为x处的电阻率数值，ρ(x)dx为在位置x与位置x+dx之间的电阻数值，j(x)为位置为x处的电流密度；
[0046]
设激光器的内阻分布均匀ρ(x)＝ρ，实际使用过程中，经过直流金丝打线将电流注入到激光器上，其实际电流情况如图2所示，在激光器某个位置x处进行电流注入，将其看成两端独立的激光器加电情况。其等效模型与理论上推导类似，考虑到中间电流加电情况。当激光器为中间点注入电流，电流向两侧流动，则有：
[0047][0048]v′
(x)＝i(x)ρ；
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(4)
[0049]i′
(x)＝j(v(x+dx))＝j(v(x))；
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(5)
[0050]v″
(x)＝i
′
(x)ρ＝j(v(x))ρ；
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(6)
[0051]
式中：v'(x)为位置为x处的电压函数的一阶导数，即表示电压变化斜率；i'(x)为位置为x处的电流函数的一阶导数；v”(x)为位置为x处电压函数的二阶导数，即表示电压斜率的变化；
[0052]
注入激光器的电流密度与注入电流点处电压的关系根据激光器件的i-v曲线获得，为一次函数关系，表示为：
[0053]
j(v)＝kv+b；
ꢀꢀꢀ
(7)
[0054]
式中：k为激光器等效模型的电阻阻值；b为激光器等效模型的开启电压，即为激光器阈值处电压；v为注入电流点处电压；
[0055]
则有：
[0056]v″
(x)＝i
′
(x)ρ＝(kv(x)+b)ρ；
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(8)
[0057]v″
(x)-kρv(x)＝bρ；
ꢀꢀꢀ
(9)
[0058]
上述方程为二阶常系数非齐次线性微分方程，具备一下方程解的形式：
[0059]
v(x)＝c1exp(λx)+c2exp(-λx)+c3；
ꢀꢀꢀ
(10)
[0060]
其中：c3＝-b/k；c1和c2为两个未知数；exp()为以自然常数e为底的指数函数；
[0061]
再根据电流的条件得下式：
[0062]
i(l)ρ＝c1λexp(λl)-c2exp(-λl)；
ꢀꢀꢀ
(11)
[0063]
式中，l为激光器电极总长度；
[0064]
联立电压和电流的条件，以求出c1和c2：
[0065][0066][0067]
根据普通dfb激光器的i-v曲线可以推测处j-v曲线。图3展示了脊波导上分布着均匀的20ω电阻时，从一侧(0μm处)注入电流从20到100ma变化时，整个腔中电流密度的分布。
[0068]
求出c1和c2后再解方程(10)得到位置为x处的电压数值v(x)，再以位置为x处的电压数值v(x)求得位置为x处的电流数值i(x)。
[0069]
而对于内阻分布不均匀情况，其中电流向两侧流动的两段距离为l1和l2。由于电流电压数值的连续性可以得到边界条件，两端电流值等于分别流向两端电流数值之和，同一点的电压数值相等，两段距离之和为激光器电极总长度，即i＝i1+i2,v1＝v2,l＝l1+l2。因此以v(x)＝c1exp(λx)+c2exp(-λx)+c3公式仍然可以进行求解位置为x处的电压数值v(x)，再以位置为x处的电压数值v(x)求得位置为x处的电流数值i(x)。
[0070]
图4展示了本实施例的电流分布情况，同时设计的激光器光场分布如图5所示，从图5中可以看出通过在激光器生长电阻，激光器中间部分光场更大同时电场更大，则更多载流子在激光器中间部分注入，更多的电载流子进行光电转换，更有利于激光器中间部分进行光子跃迁激发，有利于提升激光器的单模性能。
[0071]
关于电阻引入，在激光器材料生长过程中引入电阻，以分布式反馈激光器为例，其外延材料由两次金属有机薄膜生长化学气相沉积(mocvd),首先，一个n-inp缓冲区n-inalgaas下光学约束层inalgaas多量子阱(mqw)结构、p-ingaasp上部光学约束层和p-ingaasp在inp衬底上连续生长光栅层，采用传统光栅方法，全息曝光于常规曝光结合的形式制作取样光栅。
[0072]
然后进行光刻以及后续刻蚀工艺，之后进行p-inp包层以及p-ingaas接触层的生长。在芯片表面生长绝缘层，在注入电流的脊波导正上方将绝缘层去除，并且覆盖电极材料，在旁边的绝缘层位置，生长钛铂电阻，通过控制钛铂薄膜电阻的厚度、长度和宽度可以实现对其电阻大小的控制。
[0073]
生长完电阻后按照本发明所设计的比例电流，需注入总电流为60ma电流实现相应情况。
[0074]
本发明实施例进行了相应的测试验证实验，采用在激光器表面生长集成薄膜电阻的形式控制激光器的电流分布，同时进行对照，同批次激光器设置没有在电极处生长电阻的形式进行对比。
[0075]
在激光器电极中间进行打线，注入电流，图6表示激光器未进行电流分布时光谱图，可以得到其边模抑制比大约37.29db，图7表示在激光器表面生长薄膜电阻，其边模抑制比达到了53.22db，由于中间光场更多的电流分布导致激光器中间光场载流子转化更加有
效，提升单模特性。
[0076]
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护。

技术特征：
1.一种激光器分布式电流设计方法，其特征在于：在激光器表面生长集成薄膜电阻，然后推导激光器各位置电阻数值和激光器电流注入情况，根据计算结果对激光器表面薄膜电阻阻值分布进行设计，从而控制激光器电流分布情况，使得激光器电流分布峰值与激光器光场分布峰值相近。2.根据权利要求1所述的激光器分布式电流设计方法，其特征在于：所述激光器各位置电阻数值和激光器电流注入情况的推导是将激光器模型等效为多二极管级联模型，根据基尔霍夫定律计算得到：v(x+dx)＝i(x)ρ(x)dx+v(x)；
ꢀꢀ
(1)i(x+dx)＝j(v(x+dx))dx+i(x)；
ꢀꢀ
(2)式中：v(x)表示位置为x处的电压数值，i(x)表示位置为x处的电流数值，ρ(x)表示位置为x处的电阻率数值，ρ(x)dx为在位置x与位置x+dx之间的电阻数值，j(x)为位置为x处的电流密度；设激光器的内阻分布均匀ρ(x)＝ρ，当激光器为中间点注入电流，电流向两侧流动，则有：v
′
(x)＝i(x)ρ； (4)i
′
(x)＝j(v(x+dx))＝j(v(x))； (5)v
″
(x)＝i
′
(x)ρ＝j(v(x))ρ； (6)式中：v'(x)为位置为x处的电压函数的一阶导数；i'(x)为位置为x处的电流函数的一阶导数；v”(x)为位置为x处电压函数的二阶导数；注入激光器的电流密度与注入电流点处电压的关系根据激光器件的i-v曲线获得，为一次函数关系，表示为：j(v)＝kv+b； (7)式中：k为激光器等效模型的电阻阻值；b为激光器等效模型的开启电压；v为注入电流点处电压；则有：v
″
(x)＝i
′
(x)ρ＝(kv(x)+b)ρ；
ꢀꢀꢀ
(8)v
″
(x)-kρv(x)＝bρ； (9)上述方程为二阶常系数非齐次线性微分方程，具备一下方程解的形式：v(x)＝c1exp(λx)+c2exp(-λx)+c3； (10)其中：c3＝-b/k；c1和c2为两个未知数；exp()为以自然常数e为底的指数函数；再根据电流的条件得下式：i(l)ρ＝c1λexp(λl)-c2exp(-λl)； (11)式中，l为激光器电极总长度；联立电压和电流的条件，以求出c1和c2：
求出c1和c2后再解方程(10)得到位置为x处的电压数值v(x)，再以位置为x处的电压数值v(x)求得位置为x处的电流数值i(x)。3.根据权利要求2所述的激光器分布式电流设计方法，其特征在于：对于内阻分布不均匀情况，以v(x)＝c1exp(λx)+c2exp(-λx)+c3公式进行求解位置为x处的电压数值v(x)，再以位置为x处的电压数值v(x)求得位置为x处的电流数值i(x)。

技术总结
本发明公开了一种激光器分布式电流设计方法，在激光器表面生长集成薄膜电阻，然后推导激光器各位置电阻数值和激光器电流注入情况，根据计算结果对激光器表面薄膜电阻阻值分布进行设计，从而控制激光器电流分布情况，使得激光器电流分布峰值与激光器光场分布峰值相近。本发明可以使得激光器电流分配按照光场分配情况进行，光场增强的部分载流子浓度高，更有利于光电转化。更有利于光电转化。更有利于光电转化。


技术研发人员：陈向飞 王亚光 孙振兴 肖如磊
受保护的技术使用者：南京华飞光电科技有限公司
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/8/9