单模高功率VCSEL的结构优化与特性仿真

发布时间：2020-04-18 17:13

【摘要】：垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一种低成本、高速率和低功耗的有源半导体器件,有着较边发射激光器更为优良的特性,包括:阈值电流低、高功率、圆形出光孔、可在片测试、易于形成二维阵列等优点,在光通信、光存储、光信息处理等方面有着广泛的应用。VCSEL谐振腔长度很短,具有动态单纵模的特性,但器件横向尺寸很大,通常工作在多横模状态下,限制了它在微定位导航系统、芯片原子钟、激光打印、医疗诊断、激光探测等领域的应用。对于传统VCSEL来说,氧化孔径大于5μm时器件就不能单模工作,而高功率又需要较大的孔径。表面浮雕结构VCSEL和亚波长光栅结构VCSEL可以实现在大孔径下的单横模输出。表面浮雕结构是在VCSEL的上分布布拉格反射镜(DBR)表面或是反相层表面刻蚀出一定深度,可增加某些模式的损耗,达到模式选择的作用。以往报道的表面浮雕结构VCSEL基本是基横模激射,本文将环形腔与表面浮雕进行结合,形成环形腔倒置表面浮雕结构VCSEL,实现了单高阶横模激射。亚波长光栅结构(HCG)具有高折射率差和模式选择的作用,利用HCG取代传统DBR组成HCG-VCSEL,可实现基横模激射,本文研究了2μm HCG-VCSEL。主要研究结果如下:1研究并设计了环形腔倒置表面浮雕结构850nm VCSEL,并用PICS3D软件进行模拟。结果显示,室温下,阈值电流为3.2mA,总的输出功率高达18.2mW,最大单高阶模输出功率为15.2mW,占总输出能量的84%;远场发散角小于4.5°,近场模式表现为单高阶模激射;具有良好温度稳定性,在T=450K,仍存在一定输出功率。表现出了比同类器件更为优良的性能。2对倒置表面浮雕结构VCSEL进行了制备并对器件进行了测试,测试结果显示,室温下,最高输出功率为9.8mW,阈值电流为5mA;在驱动电流为2倍阈值电流时,仍然表现出良好的单模特性,SMSR≥25dB;具有良好的温度稳定性,在T=360K时,仍有4mW的输出功率;远场发散角小于7°。3研究并设计了2μm GaSb-HCG-VCSEL,用FDTD软件对其进行模拟仿真,结果显示,有源增益区被放置在反波节处,满足与光场强度最大程度的交叠,达到了最大的模式增益,在n++InAs/p++GaSb隧道结孔径为30μm的大孔径下实现了基横模激射,且单模特性良好,光谱中心波长为1.99945μm,光谱半峰宽约为0.05nm,阈值电流为1.8mA,当驱动电流达到15mA时,总的输出功率高达6.98mW,阈值电压约为为0.5V,斜率效率为55%,微分串联电阻约为100?,小于同类型的器件的电阻。
【图文】：

VCSEL的最初构想图

质子注入,限制型,氧化物,单模

因此，850nm 单模 VCSEL 被广泛应用于激光鼠标上。几年单模 VCSEL 因其具有分辨率高、识别能力强等优点，越来越多应用、虹膜识别、AR 技术等新兴领域。上，，单模 VCSEL 因其具有较高的光束质量，使得其在光学传感、自由空体检测、激光测距等方面有广泛的应用前景，因此，使 VCSEL 工作在单模究 VCSEL 热点问题。单横模 VCSEL 结构现单模 VCSEL 可以采用以下几种结构：. 小孔径 VCSEL
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN248

【参考文献】