少模垂直腔面发射激光器及优化台面排布的面发射激光阵列的研究

发布时间：2020-07-04 04:59

【摘要】：垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,VCSEL)具有许多出众的光学和电学特性,如单纵模出射,阈值电流低,发散角小,圆形光斑,稳定性高以及调制速率高等,这使得VCSEL成为3D成像,光通讯网络等应用的核心部件。本论文主要针对850nm波段少数横模独立控制垂直腔面发射激光器以及台面排布方式经优化的980nm、808nm垂直腔面发射半导体激光阵列的器件结构设计、优化算法设计、工艺制作,性能分析及等方面进行了研究。本论文主要研究内容和成果如下:1、对于光纤通信领域中的模式复用技术,我们充分利用VCSEL的横向尺度比较大这一特点,提出一种新型的,更加经济的少模VCSEL光源,以实现少数横模以及偏振独立控制输出,有望简化甚至免除模式复用系统中复杂的复用光路或复用器,同时可以省去VCSEL阵列光源的使用。我们采取了直接刻蚀沟道对台面进行分割的方法,实现了横模独立控制这一功能,其原理是:大氧化孔径的VCSEL可以同时支持多个模式出射。因此,可以对VCSEL台面进行分割,形成若干个作为光波导的次台面,并在每个次台面上生长电极,每个电极独立加电时,电流将只通过对应的次台面进入到有源区。因此,在单个次台面下的对应的区域,将有一个载流子集中分布区(激射区),激光只从该区域出射。同时,沟道中是折射率远小于GaAs的空气,因此可以对单个次台面出射的光有光场限制的作用。2、使用COMSOL Multiphysics科学计算软件,模拟了经沟道分割的VCSEL的电流传输及分布情况。研究了不同尺寸的氧化孔径以及不同宽度和深度的沟道对有源区电流分布的影响。模拟结果与设想一样,台面分割造成的极不均匀的电流密度分布,而氧化孔径尺寸比起沟道尺寸对电流密度分布的不均匀度的影响更明显。同时,对单个次台面进行模式分析,结果表明激射区的大小决定了所能激发的激光模式数量,激射区的形状决定了出射模式的形状,而激射区的方向决定了出射模式的偏振方向。因此,少模独立控制VCSEL的关键是对激射区域形状大小的控制。3、经过若干次工艺改进,制备出台面分割成二、三、四、六瓣的少数横模独立控制VCSEL,后文中一律简称为少模VCSEL。通过对氧化孔的控制,实现了双横模,三横模,四横模的独立控制出射,其中三横模以及四横模独立控制出射是在一定电流范围内。同时,由于每个模式偏振方向不同,所以这种新型少模VCSEL也可以看做是由电极控制的多偏振VCSEL。而由于封装条件问题,六横模VCSEL未能得到全面的测试。4、探究了VCSEL阵列中的单元台面排布方式对器件热特性的影响,对VCSEL阵列中单元台面分布进行优化,设计出一种具有特殊台面排布方式的VCSEL阵列。制备了三种台面间距不同的980nm VCSEL阵列,其中两种为4*4方形阵列,一种为特殊台面排布VCSEL阵列。实验结果验证了台面分布对对器件的热稳定性有明显的改善。器件功率得到提高,热阻变小。随着热沉温度的增加,优化设计的阵列器件的功率衰减明显小于普通4*4方形阵列。5、根据VCSEL阵列温度分布积分公式,定义了一个同时考虑了台面间距以及阵列总台面面积的热耦合系数,对808nm圆形VCSEL阵列的台面排布进行优化。目标仍是改善器件的温度特性,提高性能。将圆形VCSEL阵列定义成由多环的台面组合,给定一个最大环半径,在此半径内对不同环之间的距离进行遍历,计算不同环间距组合的热耦合系数,找到使得热耦合系数最少的组合,认为此组合的台面排布是最优的。实验设计了普通圆形阵列以及方形阵列作为对比器件,测试结果表明优化设计的圆形VCSEL阵列比起普通阵列有一定的功率优势。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN248
【图文】：

及深紫外 VCSEL 器件也早已开始被广泛研究[6, 7]，其成果L 简介SEL 的基本结构半导体激光器结构最大的特点是谐振腔两端的反射镜以由半导体材料外延生长构成，激光的出射方向垂直于外延本的面发射半导体激光器结构包括高反射率(>99%)的上下istributed Bragg reflector, DBR）、量子阱有源区和金属电极于 n 型掺杂的 DBR 和 p 型掺杂的 DBR 之间。DBR 反射低折射率材料交替生长而成，每层材料的光学厚度为激光的光学厚度为 1/2 激光波长的整数倍，以满足谐振条件。

(a) (b)图 1. 2 (a)顶发射 VCSEL 与(b)底发射 VCSEL 的三维结构图Figure 1. 2 Schematical structure of (a)top-emitting VCSEL and(b)bottom emitting VCSEL1.1.2 VCSEL 的优点与基本特性面发射半导体激光器具有如下的优点[1]：(1)低阈值电流和小工作电流：采用质子注入或者湿法侧氧化技术可以将光场和电场限制在线度为微米量级的腔体积内，所以面发射半导体激光器的阈值电流可以低至 μA 量级，比普通的边发射半导体激光器低三个数量级。(2)稳定的单纵模工作：普通 EEL 的谐振腔长度相对激光波长来说比较长，所以根据驻波条件，EEL 为多纵模工作，而面发射半导体激光器的谐振腔光学厚度可与激光波长接近，纵模间距能够保证稳定单纵模工作[4, 9, 10]。

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本文编号：2740673