【摘要】：垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,VCSEL)具有許多出眾的光學(xué)和電學(xué)特性,如單縱模出射,閾值電流低,發(fā)散角小,圓形光斑,穩(wěn)定性高以及調(diào)制速率高等,這使得VCSEL成為3D成像,光通訊網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用的核心部件。本論文主要針對850nm波段少數(shù)橫模獨立控制垂直腔面發(fā)射激光器以及臺面排布方式經(jīng)優(yōu)化的980nm、808nm垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光陣列的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)化算法設(shè)計、工藝制作,性能分析及等方面進(jìn)行了研究。本論文主要研究內(nèi)容和成果如下:1、對于光纖通信領(lǐng)域中的模式復(fù)用技術(shù),我們充分利用VCSEL的橫向尺度比較大這一特點,提出一種新型的,更加經(jīng)濟(jì)的少模VCSEL光源,以實現(xiàn)少數(shù)橫模以及偏振獨立控制輸出,有望簡化甚至免除模式復(fù)用系統(tǒng)中復(fù)雜的復(fù)用光路或復(fù)用器,同時可以省去VCSEL陣列光源的使用。我們采取了直接刻蝕溝道對臺面進(jìn)行分割的方法,實現(xiàn)了橫模獨立控制這一功能,其原理是:大氧化孔徑的VCSEL可以同時支持多個模式出射。因此,可以對VCSEL臺面進(jìn)行分割,形成若干個作為光波導(dǎo)的次臺面,并在每個次臺面上生長電極,每個電極獨立加電時,電流將只通過對應(yīng)的次臺面進(jìn)入到有源區(qū)。因此,在單個次臺面下的對應(yīng)的區(qū)域,將有一個載流子集中分布區(qū)(激射區(qū)),激光只從該區(qū)域出射。同時,溝道中是折射率遠(yuǎn)小于GaAs的空氣,因此可以對單個次臺面出射的光有光場限制的作用。2、使用COMSOL Multiphysics科學(xué)計算軟件,模擬了經(jīng)溝道分割的VCSEL的電流傳輸及分布情況。研究了不同尺寸的氧化孔徑以及不同寬度和深度的溝道對有源區(qū)電流分布的影響。模擬結(jié)果與設(shè)想一樣,臺面分割造成的極不均勻的電流密度分布,而氧化孔徑尺寸比起溝道尺寸對電流密度分布的不均勻度的影響更明顯。同時,對單個次臺面進(jìn)行模式分析,結(jié)果表明激射區(qū)的大小決定了所能激發(fā)的激光模式數(shù)量,激射區(qū)的形狀決定了出射模式的形狀,而激射區(qū)的方向決定了出射模式的偏振方向。因此,少模獨立控制VCSEL的關(guān)鍵是對激射區(qū)域形狀大小的控制。3、經(jīng)過若干次工藝改進(jìn),制備出臺面分割成二、三、四、六瓣的少數(shù)橫模獨立控制VCSEL,后文中一律簡稱為少模VCSEL。通過對氧化孔的控制,實現(xiàn)了雙橫模,三橫模,四橫模的獨立控制出射,其中三橫模以及四橫模獨立控制出射是在一定電流范圍內(nèi)。同時,由于每個模式偏振方向不同,所以這種新型少模VCSEL也可以看做是由電極控制的多偏振VCSEL。而由于封裝條件問題,六橫模VCSEL未能得到全面的測試。4、探究了VCSEL陣列中的單元臺面排布方式對器件熱特性的影響,對VCSEL陣列中單元臺面分布進(jìn)行優(yōu)化,設(shè)計出一種具有特殊臺面排布方式的VCSEL陣列。制備了三種臺面間距不同的980nm VCSEL陣列,其中兩種為4*4方形陣列,一種為特殊臺面排布VCSEL陣列。實驗結(jié)果驗證了臺面分布對對器件的熱穩(wěn)定性有明顯的改善。器件功率得到提高,熱阻變小。隨著熱沉溫度的增加,優(yōu)化設(shè)計的陣列器件的功率衰減明顯小于普通4*4方形陣列。5、根據(jù)VCSEL陣列溫度分布積分公式,定義了一個同時考慮了臺面間距以及陣列總臺面面積的熱耦合系數(shù),對808nm圓形VCSEL陣列的臺面排布進(jìn)行優(yōu)化。目標(biāo)仍是改善器件的溫度特性,提高性能。將圓形VCSEL陣列定義成由多環(huán)的臺面組合,給定一個最大環(huán)半徑,在此半徑內(nèi)對不同環(huán)之間的距離進(jìn)行遍歷,計算不同環(huán)間距組合的熱耦合系數(shù),找到使得熱耦合系數(shù)最少的組合,認(rèn)為此組合的臺面排布是最優(yōu)的。實驗設(shè)計了普通圓形陣列以及方形陣列作為對比器件,測試結(jié)果表明優(yōu)化設(shè)計的圓形VCSEL陣列比起普通陣列有一定的功率優(yōu)勢。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN248
【圖文】：

及深紫外 VCSEL 器件也早已開始被廣泛研究[6, 7]，其成果L 簡介SEL 的基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)最大的特點是諧振腔兩端的反射鏡以由半導(dǎo)體材料外延生長構(gòu)成，激光的出射方向垂直于外延本的面發(fā)射半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)包括高反射率(>99%)的上下istributed Bragg reflector, DBR）、量子阱有源區(qū)和金屬電極于 n 型摻雜的 DBR 和 p 型摻雜的 DBR 之間。DBR 反射低折射率材料交替生長而成，每層材料的光學(xué)厚度為激光的光學(xué)厚度為 1/2 激光波長的整數(shù)倍，以滿足諧振條件。

(a) (b)圖 1. 2 (a)頂發(fā)射 VCSEL 與(b)底發(fā)射 VCSEL 的三維結(jié)構(gòu)圖Figure 1. 2 Schematical structure of (a)top-emitting VCSEL and(b)bottom emitting VCSEL1.1.2 VCSEL 的優(yōu)點與基本特性面發(fā)射半導(dǎo)體激光器具有如下的優(yōu)點[1]：(1)低閾值電流和小工作電流：采用質(zhì)子注入或者濕法側(cè)氧化技術(shù)可以將光場和電場限制在線度為微米量級的腔體積內(nèi)，所以面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的閾值電流可以低至 μA 量級，比普通的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器低三個數(shù)量級。(2)穩(wěn)定的單縱模工作：普通 EEL 的諧振腔長度相對激光波長來說比較長，所以根據(jù)駐波條件，EEL 為多縱模工作，而面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的諧振腔光學(xué)厚度可與激光波長接近，縱模間距能夠保證穩(wěn)定單縱模工作[4, 9, 10]。

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本文編號：2740673