垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）相較于邊發(fā)射激光器具有發(fā)散角小、圓形光斑易于與光纖耦合、單縱模工作、易于二維陣列集成、晶圓級測試、造價較低等優(yōu)勢,在很多領(lǐng)域已逐步取代其他器件,已經(jīng)成為光互連,光通信,光計算等領(lǐng)域的理想光源,特別是高功率垂直腔面發(fā)射激光器由于具有很高的泵浦效率而成為理想的光纖泵浦光源。如何進(jìn)一步提高半導(dǎo)體激光器的輸出功率一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的首要目標(biāo)。目前高功率垂直腔面發(fā)射激光器面臨的問題是如何在獲得高功率的同時,同樣具備高可靠性和高能量轉(zhuǎn)換效率,并且擁有較高光束質(zhì)量與良好的光譜特性。根據(jù)VCSEL的結(jié)構(gòu)特點,要提高VCSEL單管器件的輸出功率勢必要增大其出光孔徑。由于電流的趨膚效應(yīng)與載流子聚集效應(yīng),工作電流只會流經(jīng)電極邊緣,導(dǎo)致有源區(qū)內(nèi)的載流子也僅存在于邊緣位置,使得激光功率密度分布不均勻,導(dǎo)致激射光斑呈現(xiàn)環(huán)狀。這種現(xiàn)象會對大孔徑器件出光質(zhì)量造成極大影響。為此,提出一種具有新型出光孔結(jié)構(gòu)的VCSEL,該設(shè)計可以使發(fā)光區(qū)適應(yīng)載流子的聚集效應(yīng),使傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中幾乎不發(fā)光的中央?yún)^(qū)域得到充分利用,在保持高功率輸出的同時增大了器件的有效發(fā)光面積,不僅滿足VCSEL在光通信領(lǐng)域?qū)Ω吖?.. 

【文章來源】：長春理工大學(xué)吉林省

【文章頁數(shù)】：63 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

VCSEL基本結(jié)構(gòu)示意圖

嘞虺嘰绱螅?賈錄ど涔獍叱釋衷殘危?且發(fā)散角較大，激光與光纖進(jìn)行耦合時，須設(shè)計復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行光束準(zhǔn)直和整形[4]。垂直腔面發(fā)射激光器的激射方向與芯片表面垂直，激射光斑為規(guī)則圓形且發(fā)散角較小，光束較為集中，與光纖耦合的效率較高；（3）激射波長與閾值電流對溫度變化不敏感，主要受到有源區(qū)和DBR結(jié)構(gòu)影響；（4）由于光輸出方向垂直于諧振腔，易于高密度二維集成，如圖1.2所示；（5）有源區(qū)經(jīng)過鈍化層的保護(hù)，不會直接暴露于空氣，故器件壽命較長；（6）VCSEL制備工藝和LED類似，且能夠在片測試，量產(chǎn)成本低。圖1.2VCSEL二維面陣1.2VCSEL的應(yīng)用由于上述獨特優(yōu)勢，VCSEL已廣泛用于光互連、光通信、激光引信、激光顯示、光信號處理以及芯片級原子鐘[5-8]等領(lǐng)域。不僅如此，近年來由于智能手機(jī)相關(guān)技術(shù)更新迭代十分迅速，VCSEL在智能設(shè)備等領(lǐng)域也開始具備廣泛的應(yīng)用前景。特別是現(xiàn)代社會對智能手機(jī)拍攝、識別、感應(yīng)等功能有著高度關(guān)注，如何提高攝像頭的性能已成為各大廠商的重要研發(fā)目標(biāo)，而VCSEL作為高效的微型紅外光源，已成為進(jìn)一步提升攝像頭性能的關(guān)鍵器件。在AR領(lǐng)域，VCSEL也具有強(qiáng)大潛力。AR即AugmentedReality，意為現(xiàn)實增強(qiáng)技術(shù)，是一種將真實世界信息與虛擬世界信息利用計算機(jī)進(jìn)行結(jié)合的新技術(shù)，包含了智能識別、紅外傳感、3D建模等眾多技術(shù)手段，將影音、文字、圖片等信息進(jìn)行仿真后附加到現(xiàn)實世界，大大增加了信息量。VCSEL技術(shù)日漸成熟，體積小，功耗低，器件壽命較長，非常適合作為AR設(shè)備的紅外光源使用。過去使用的LED光源由于其結(jié)

第1章緒論4PrincetonOptronics公司優(yōu)化了焊接方式，采用熱導(dǎo)率更高的金剛石作為散熱片，并將其焊接在熱沉與芯片之間，使350μm大孔徑VCSEL的輸出功率提升至3W[11]。（a）（b）圖1.3Ulm大學(xué)研制的兩種不同結(jié)構(gòu)高功率VCSEL結(jié)構(gòu)簡圖：（a）頂發(fā)射VCSEL結(jié)構(gòu)；（b）底發(fā)射VCSEL結(jié)構(gòu)（a）（b）圖1.4Ulm大學(xué)研制的氧化限制VCSEL：（a）陣列示意圖；（b）封裝示意圖2008年，PrincetonOptronics公司在高功率980nmVCSEL列陣方面的研究有了新的突破[12]。他們在5mm×5mm的VCSEL外延片上制作了數(shù)百個出光孔（如圖1.5所示），為了減小熱效應(yīng)的影響，先將VCSEL面陣封裝到金剛石熱沉上，然后在微通道熱沉上焊接將金剛石。測試發(fā)現(xiàn)工作電流為16A時，功率達(dá)到13W。當(dāng)電流為60A時輸出功率可達(dá)45W，對應(yīng)的電壓為2.4V。圖1.5高功率VCSEL陣列示意圖


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