本文選題：耦合VCSEL陣列　切入點(diǎn)：光束操控　出處：《北京工業(yè)大學(xué)》2016年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical-cavity surface-emitting lasers,VCSEL)耦合陣列具有高亮度、近衍射限制高質(zhì)量光束、單一模式激射、相位鎖定等特性優(yōu)勢(shì),可在激光雷達(dá)、光束可操控光源、光譜傳感、光邏輯處理等領(lǐng)域得到充分應(yīng)用。本文研究耦合VCSEL陣列的光束操控,通過(guò)改變各單元的注入電流控制光束偏轉(zhuǎn),以獲得激光束的高速連續(xù)高精度掃描。首先報(bào)告了耦合VCSEL陣列及光束操控的研究現(xiàn)狀,對(duì)光束操控原理進(jìn)行了研究,根據(jù)已有的研究基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì),然后對(duì)設(shè)計(jì)方案模擬驗(yàn)證光束操控原理,改進(jìn)工藝流程,最終制備出較高耦合度和較大操控角度的器件,并設(shè)計(jì)得到完整測(cè)試方案。主要研究工作總結(jié)如下:1.實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和模擬進(jìn)行光束操控之前,首先要獲得高光束質(zhì)量,根據(jù)本課題組對(duì)耦合VCSEL陣列等已有的研究成果,確定了1×2和1×3兩種陣列結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)方案。為更好的研究光束操控的機(jī)理,先使用COMSOL Multiphysics模擬器件中電場(chǎng)和熱場(chǎng)相互耦合后的分布,然后使用FDTD Solutions分別模擬折射率、初始相位差以及不同單元大小和間距對(duì)耦合光束在遠(yuǎn)場(chǎng)偏轉(zhuǎn)情況的影響。2.工藝制備流程由器件設(shè)計(jì)方案并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的工藝條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)制備流程和光刻版圖的設(shè)計(jì),并通過(guò)實(shí)際器件制備過(guò)程中遇到的問(wèn)題對(duì)實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)一步優(yōu)化。通過(guò)引入金屬納米層作為電流擴(kuò)展層,提高了可靠性,同時(shí)保證了各單元電流的分別注入。最終確定完整的一套耦合VCSEL陣列光束操控器件的制備工藝。3.測(cè)試數(shù)據(jù)分析對(duì)樣品器件的近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)、光功率和光譜進(jìn)行了系統(tǒng)和詳細(xì)的測(cè)試。對(duì)1×2陣列的近場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)單元間距對(duì)耦合電流的影響規(guī)律;對(duì)1×3陣列的近場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)耦合時(shí)注入電流低于閾值電流并且三單元耦合比兩單元耦合時(shí)的注入電流更低,并對(duì)此進(jìn)行了解釋。然后通過(guò)光功率和光譜的測(cè)試對(duì)比相同條件下的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù),光束操控過(guò)程中的光功率和光譜都由耦合效率影響。根據(jù)測(cè)試分析,得到一種完善耦合VCSEL陣列光束操控器件的測(cè)試方案。
[Abstract]:Vertical-cavity surface-emitting laserser (VCSELL) coupled array has the advantages of high brightness, near diffraction limiting high quality beam, single mode excitation, phase locking and so on. It can be used in lidar, laser beam can control light source, spectrum sensor, etc. Optical logic processing and other fields have been fully applied. In this paper, the beam manipulation of coupled VCSEL array is studied, and the beam deflection is controlled by changing the injection current of each unit. In order to obtain high speed, continuous and high precision scanning of laser beam, the research status of coupled VCSEL array and beam manipulation is reported. The principle of beam control is studied, and the experimental scheme is designed according to the existing research basis. Then the design scheme is simulated to verify the principle of beam control and improve the technological process. Finally, the devices with high coupling degree and larger control angle are fabricated. The main research work is summarized as follows: 1. Before the experimental scheme is designed and simulated, the high beam quality should be obtained. According to the existing research results of the coupled VCSEL array and so on, The experimental schemes of 1 脳 2 and 1 脳 3 array structures are determined. In order to better study the mechanism of beam control, the distribution of electric field and thermal field in the device is simulated by COMSOL Multiphysics first, and then the refractive index is simulated by FDTD Solutions. The effect of initial phase difference and different unit size and spacing on the deflection of coupling beam in the far field. 2. The process of fabrication is designed by the device design scheme and the experimental preparation process and lithography design combined with the process conditions in the laboratory. The experimental process is further optimized through the problems encountered in the fabrication of practical devices. The reliability is improved by introducing metal nanolayers as current extension layers. At the same time, the injection of each unit current is ensured. Finally, a complete set of fabrication technology of the coupled VCSEL array beam control device is determined. 3. The near field and far field of the sample device are analyzed by the test data. The optical power and spectrum are measured systematically and in detail. By comparing the near-field data of 1 脳 2 array, the effect of cell spacing on coupling current is found. The near-field test of 1 脳 3 array shows that the injection current is lower than the threshold current and the three-unit coupling is lower than the two-element coupling. Then the near field and far field data under the same conditions are compared with optical power and spectrum. The optical power and spectrum during beam manipulation are affected by coupling efficiency. A perfect test scheme of coupled VCSEL array beam control device is presented.
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN248

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本文編號(hào)：1560733