高功率VCSEL出光孔结构的优化设计
发布时间：2022-01-01 06:52
垂直腔面发射激光器（VCSEL）相较于边发射激光器具有发散角小、圆形光斑易于与光纤耦合、单纵模工作、易于二维阵列集成、晶圆级测试、造价较低等优势,在很多领域已逐步取代其他器件,已经成为光互连,光通信,光计算等领域的理想光源,特别是高功率垂直腔面发射激光器由于具有很高的泵浦效率而成为理想的光纤泵浦光源。如何进一步提高半导体激光器的输出功率一直是国内外学者研究的首要目标。目前高功率垂直腔面发射激光器面临的问题是如何在获得高功率的同时,同样具备高可靠性和高能量转换效率,并且拥有较高光束质量与良好的光谱特性。根据VCSEL的结构特点,要提高VCSEL单管器件的输出功率势必要增大其出光孔径。由于电流的趋肤效应与载流子聚集效应,工作电流只会流经电极边缘,导致有源区内的载流子也仅存在于边缘位置,使得激光功率密度分布不均匀,导致激射光斑呈现环状。这种现象会对大孔径器件出光质量造成极大影响。为此,提出一种具有新型出光孔结构的VCSEL,该设计可以使发光区适应载流子的聚集效应,使传统结构中几乎不发光的中央区域得到充分利用,在保持高功率输出的同时增大了器件的有效发光面积,不仅满足VCSEL在光通信领域对高功...
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
VCSEL基本结构示意图
嘞虺叽绱螅?贾录ど涔獍叱释衷残危?且发散角较大，激光与光纤进行耦合时，须设计复杂的光学系统进行光束准直和整形[4]。垂直腔面发射激光器的激射方向与芯片表面垂直，激射光斑为规则圆形且发散角较小，光束较为集中，与光纤耦合的效率较高；（3）激射波长与阈值电流对温度变化不敏感，主要受到有源区和DBR结构影响；（4）由于光输出方向垂直于谐振腔，易于高密度二维集成，如图1.2所示；（5）有源区经过钝化层的保护，不会直接暴露于空气，故器件寿命较长；（6）VCSEL制备工艺和LED类似，且能够在片测试，量产成本低。图1.2VCSEL二维面阵1.2VCSEL的应用由于上述独特优势，VCSEL已广泛用于光互连、光通信、激光引信、激光显示、光信号处理以及芯片级原子钟[5-8]等领域。不仅如此，近年来由于智能手机相关技术更新迭代十分迅速，VCSEL在智能设备等领域也开始具备广泛的应用前景。特别是现代社会对智能手机拍摄、识别、感应等功能有着高度关注，如何提高摄像头的性能已成为各大厂商的重要研发目标，而VCSEL作为高效的微型红外光源，已成为进一步提升摄像头性能的关键器件。在AR领域，VCSEL也具有强大潜力。AR即AugmentedReality，意为现实增强技术，是一种将真实世界信息与虚拟世界信息利用计算机进行结合的新技术，包含了智能识别、红外传感、3D建模等众多技术手段，将影音、文字、图片等信息进行仿真后附加到现实世界，大大增加了信息量。VCSEL技术日渐成熟，体积小，功耗低，器件寿命较长，非常适合作为AR设备的红外光源使用。过去使用的LED光源由于其结
第1章绪论4PrincetonOptronics公司优化了焊接方式，采用热导率更高的金刚石作为散热片，并将其焊接在热沉与芯片之间，使350μm大孔径VCSEL的输出功率提升至3W[11]。（a）（b）图1.3Ulm大学研制的两种不同结构高功率VCSEL结构简图：（a）顶发射VCSEL结构；（b）底发射VCSEL结构（a）（b）图1.4Ulm大学研制的氧化限制VCSEL：（a）阵列示意图；（b）封装示意图2008年，PrincetonOptronics公司在高功率980nmVCSEL列阵方面的研究有了新的突破[12]。他们在5mm×5mm的VCSEL外延片上制作了数百个出光孔（如图1.5所示），为了减小热效应的影响，先将VCSEL面阵封装到金刚石热沉上，然后在微通道热沉上焊接将金刚石。测试发现工作电流为16A时，功率达到13W。当电流为60A时输出功率可达45W，对应的电压为2.4V。图1.5高功率VCSEL阵列示意图
本文编号：3561843
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
VCSEL基本结构示意图
嘞虺叽绱螅?贾录ど涔獍叱释衷残危?且发散角较大，激光与光纤进行耦合时，须设计复杂的光学系统进行光束准直和整形[4]。垂直腔面发射激光器的激射方向与芯片表面垂直，激射光斑为规则圆形且发散角较小，光束较为集中，与光纤耦合的效率较高；（3）激射波长与阈值电流对温度变化不敏感，主要受到有源区和DBR结构影响；（4）由于光输出方向垂直于谐振腔，易于高密度二维集成，如图1.2所示；（5）有源区经过钝化层的保护，不会直接暴露于空气，故器件寿命较长；（6）VCSEL制备工艺和LED类似，且能够在片测试，量产成本低。图1.2VCSEL二维面阵1.2VCSEL的应用由于上述独特优势，VCSEL已广泛用于光互连、光通信、激光引信、激光显示、光信号处理以及芯片级原子钟[5-8]等领域。不仅如此，近年来由于智能手机相关技术更新迭代十分迅速，VCSEL在智能设备等领域也开始具备广泛的应用前景。特别是现代社会对智能手机拍摄、识别、感应等功能有着高度关注，如何提高摄像头的性能已成为各大厂商的重要研发目标，而VCSEL作为高效的微型红外光源，已成为进一步提升摄像头性能的关键器件。在AR领域，VCSEL也具有强大潜力。AR即AugmentedReality，意为现实增强技术，是一种将真实世界信息与虚拟世界信息利用计算机进行结合的新技术，包含了智能识别、红外传感、3D建模等众多技术手段，将影音、文字、图片等信息进行仿真后附加到现实世界，大大增加了信息量。VCSEL技术日渐成熟，体积小，功耗低，器件寿命较长，非常适合作为AR设备的红外光源使用。过去使用的LED光源由于其结
第1章绪论4PrincetonOptronics公司优化了焊接方式，采用热导率更高的金刚石作为散热片，并将其焊接在热沉与芯片之间，使350μm大孔径VCSEL的输出功率提升至3W[11]。（a）（b）图1.3Ulm大学研制的两种不同结构高功率VCSEL结构简图：（a）顶发射VCSEL结构；（b）底发射VCSEL结构（a）（b）图1.4Ulm大学研制的氧化限制VCSEL：（a）阵列示意图；（b）封装示意图2008年，PrincetonOptronics公司在高功率980nmVCSEL列阵方面的研究有了新的突破[12]。他们在5mm×5mm的VCSEL外延片上制作了数百个出光孔（如图1.5所示），为了减小热效应的影响，先将VCSEL面阵封装到金刚石热沉上，然后在微通道热沉上焊接将金刚石。测试发现工作电流为16A时，功率达到13W。当电流为60A时输出功率可达45W，对应的电压为2.4V。图1.5高功率VCSEL阵列示意图
本文编号：3561843
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