發(fā)布時(shí)間：2020-07-04 04:59

【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(duì)850nm波段少數(shù)橫模獨(dú)立控制垂直腔面發(fā)射激光器以及臺(tái)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(jì)、優(yōu)化算法設(shè)計(jì)、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?jī)?nèi)容和成果如下:1、對(duì)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(diǎn),提出一種新型的,更加經(jīng)濟(jì)的少模VCSEL光源,以實(shí)現(xiàn)少數(shù)橫模以及偏振獨(dú)立控制輸出,有望簡(jiǎn)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(shí)可以省去VCSEL陣列光源的使用。我們采取了直接刻蝕溝道對(duì)臺(tái)面進(jìn)行分割的方法,實(shí)現(xiàn)了橫模獨(dú)立控制這一功能,其原理是:大氧化孔徑的VCSEL可以同時(shí)支持多個(gè)模式出射。因此,可以對(duì)VCSEL臺(tái)面進(jìn)行分割,形成若干個(gè)作為光波導(dǎo)的次臺(tái)面,并在每個(gè)次臺(tái)面上生長(zhǎng)電極,每個(gè)電極獨(dú)立加電時(shí),電流將只通過(guò)對(duì)應(yīng)的次臺(tái)面進(jìn)入到有源區(qū)。因此,在單個(gè)次臺(tái)面下的對(duì)應(yīng)的區(qū)域,將有一個(gè)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(shí),溝道中是折射率遠(yuǎn)小于GaAs的空氣,因此可以對(duì)單個(gè)次臺(tái)面出射的光有光場(chǎng)限制的作用。2、使用COMSOL Multiphysics科學(xué)計(jì)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(duì)有源區(qū)電流分布的影響。模擬結(jié)果與設(shè)想一樣,臺(tái)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(duì)電流密度分布的不均勻度的影響更明顯。同時(shí),對(duì)單個(gè)次臺(tái)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(dú)立控制VCSEL的關(guān)鍵是對(duì)激射區(qū)域形狀大小的控制。3、經(jīng)過(guò)若干次工藝改進(jìn),制備出臺(tái)面分割成二、三、四、六瓣的少數(shù)橫模獨(dú)立控制VCSEL,后文中一律簡(jiǎn)稱(chēng)為少模VCSEL。通過(guò)對(duì)氧化孔的控制,實(shí)現(xiàn)了雙橫模,三橫模,四橫模的獨(dú)立控制出射,其中三橫模以及四橫模獨(dú)立控制出射是在一定電流范圍內(nèi)。同時(shí),由于每個(gè)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(wèn)題,六橫模VCSEL未能得到全面的測(cè)試。4、探究了VCSEL陣列中的單元臺(tái)面排布方式對(duì)器件熱特性的影響,對(duì)VCSEL陣列中單元臺(tái)面分布進(jìn)行優(yōu)化,設(shè)計(jì)出一種具有特殊臺(tái)面排布方式的VCSEL陣列。制備了三種臺(tái)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(tái)面排布VCSEL陣列。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了臺(tái)面分布對(duì)對(duì)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(jì)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(gè)同時(shí)考慮了臺(tái)面間距以及陣列總臺(tái)面面積的熱耦合系數(shù),對(duì)808nm圓形VCSEL陣列的臺(tái)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(tái)面組合,給定一個(gè)最大環(huán)半徑,在此半徑內(nèi)對(duì)不同環(huán)之間的距離進(jìn)行遍歷,計(jì)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(tái)面排布是最優(yōu)的。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了普通圓形陣列以及方形陣列作為對(duì)比器件,測(cè)試結(jié)果表明優(yōu)化設(shè)計(jì)的圓形VCSEL陣列比起普通陣列有一定的功率優(yōu)勢(shì)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TN248
【圖文】：

及深紫外 VCSEL 器件也早已開(kāi)始被廣泛研究[6, 7]，其成果L 簡(jiǎn)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(diǎn)是諧振腔兩端的反射鏡以由半導(dǎo)體材料外延生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)的整數(shù)倍，以滿(mǎn)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(diǎn)與基本特性面發(fā)射半導(dǎo)體激光器具有如下的優(yōu)點(diǎn)[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(chǎng)和電場(chǎng)限制在線度為微米量級(jí)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(jí)，比普通的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器低三個(gè)數(shù)量級(jí)。(2)穩(wěn)定的單縱模工作：普通 EEL 的諧振腔長(zhǎng)度相對(duì)激光波長(zhǎng)來(lái)說(shuō)比較長(zhǎng)，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(zhǎng)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(hào)：2740673