垂直腔面发射激光器的电路模拟

通过分析垂直腔面发射激光器的速率方程,并结合电子电路的特点,建立了等效电路模型。采用数值计算和电路模拟两种方法给出了垂直腔面发射激光器的频率响应特性。通过分析,证明了电路模型的正确性。通过电路模拟得出了脉冲调制的响应特性,验证了激光器固有的电光延迟和张驰振荡现象。     

多有源区隧道再生半导体激光器稳态热特性

 利用有限元软件ANSYS结合傅里叶定律,对制约适用于光纤耦合输出的新型高功率多有源区隧道再生半导体激光器长寿命工作的稳态热特性进行了系统计算、分析。获得了这种新型器件工作时各有源区温度分布特征及与传统单有源区器件稳态热特性的区别,并给出了多有源区隧道再生半导体激光器工作时各有源区温度的估算方法,同时对有效降低这种新型器件热阻的方法进行了讨论。结果表明:连续工作时,多有源区隧道再生半导体激光器比同材料体系传统结构器件更易获得较高的输出功率。     

电流孔的尺寸对双氧化限制垂直腔面发射激光器阈值的影响

通过双氧化限制垂直腔面发射激光器中电场、载流子密度、光场和热场空间耦合方程自洽数值求解,研究了垂直腔面发射激光器中阈值特性.得到了氧化层及有源区附近的电势,模拟电流孔的边缘效应,给出了不同双氧化限制电流孔半径下阈值电流密度、载流子密度、基模光场和热场的空间分布.发现了实现最小阈值电流的最佳限制电流孔半径,进而设计了双氧化限制垂直腔面发射激光器的结构. 关键词： 双氧化限制垂直腔面发射激光器 自洽 阈值     

用速率方程分析垂直腔面发射激光器的噪声

采用一种合理的噪声模拟方法，用速率方程对垂直腔面发射激光器的噪声特性进行了数值分析，在单模情况下计算了器件的自发辐射因子、输出功率、注入电流、阈值电流等参数与相对强度噪声、频率噪声以及线宽等特性的关系，计算结果与实验基本相符，对优化垂直腔面发射激光器的结构设计和应用条件有所裨益. 关键词：     

注入电流对垂直腔面发射激光器横模特性的影响

对980nm氧化限制型垂直腔面发射激光器横模进行测试和研究,理论上从时间、空间变量的速率方程出发,利用空间积分法分析了典型电注入参数对弱折射率导引垂直腔面发射激光器(VCSELs)横模行为的影响,通过实验测试,得到VCSELs的横模光场分布情况,并与理论分析进行对比,得出相应的实验结果,在氧化孔径不变的情况下,随着注入电流的增加,载流子分布从有源区中心向边缘移动,模式从低阶基模向高阶模转变,并发生了较强的模式竞争以及载流子空间烧孔效应,最终导致基模强度的降低.另一方面,通过比较不同注入孔径下高阶模的发生时 关键词： 横模 垂直腔面发射激光器 空间烧孔现象 模式竞争     

高速光通讯面发射激光器的热分析及优化

垂直腔面发射激光器(VCSEL)已成为短距离数据通信传输系统的首选光源。热限制是VCSEL器件调制带宽进一步增加的一个主要的制约因素。本文基于有限元分析的方法对影响980 nm-VCSEL器件有源区温度的参数,如驱动电流、氧化孔径尺寸、氧化层材料等做了比较分析,还数值分析了二元系Ga As/Al As材料DBR用于高速低能耗VCSEL器件的优势,为绿色光子器件设计提供优化思路。     

高功率垂直腔面发射半导体激光器优化设计研究

与传统的端发射半导体激光器相比，垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）具有可单模输出，光束对称性好，可被高度聚焦，进入光纤的耦合效率极高和有利于大规模二维列阵等优 点.为了得到高功率的激光输出，除了要增大VCSEL的发射面积之外，关键的是要选择适 当的量子阱层数、有源区电流密度的均匀分布和良好的热管理等.本文详细研究和分析了高功率VCSEL有源区量子阱层数，有源区直径，材料的热导和电阻，电极间距等对VCSEL 器件性能的影响.通过优化参数，进行最佳设计，研制出了980 nm In0.2Ga0.8As/Ga 关键词： 垂直腔面发射激光器（VCSEL） 量子阱 高功率     

径向桥电极高功率垂直腔面发射激光器

为改善高功率垂直腔面发射半导体激光器的热特性,提高它的输出功率,研制了新型径向桥电极高功率垂直腔面发射半导体激光器器件,对新型半导体激光器的结构模型进行理论分析表明,采用径向桥式电极可以降低器件P型DBR电阻,减小焦耳热;降低热阻,提高器件的散热能力。实验制备了出光孔径同为200μm的径向桥电极与常规电极的高功率垂直腔面发射半导体激光器,并对器件的性能进行了实验对比测试。结果表明径向桥电极高功率垂直腔面发射半导体激光器器件的微分电阻为0.43Ω;室温下最大输出功率可达340 mW,是常规电极垂直腔面发射半导体激光器的1.7倍;器件的热阻为0.095℃/mW,在80℃时,仍能正常激射,具有良好的热特性,径向桥电极高功率垂直腔面发射半导体激光器的光电特性与温度特性要远好于常规电极的高功率垂直腔面发射半导体激光器器件。     

N-DBR和双氧化限制层对VCSEL电、光、热特性的影响

根据增益波导垂直腔面发射激光器直接耦合的准三维理论模型，通过有限差分法对注入电流密度、载流子浓度、光场和热场分布方程求自洽解.研究了垂直腔面发射激光器的电、热和光波导特性，同时提出了一种具有双氧化限制层的增益波导垂直腔面发射激光器结构，并通过对比研究了N-型分布布喇格反射镜和双氧化限制层对增益波导垂直腔面发射激光器特性的影响.计算结果表明，如果忽略N-型分布布喇格反射镜的影响将与实际的垂直腔面发射激光器有较大偏差；双氧化限制层结构对激光器特性有较大的改善，它为增益波导垂直腔面发射激光器提供了一种降低阈值，抑制高阶横模的方法.     

吸收对垂直腔面发射激光器光学特性的影响

采用光学传输矩阵方法，详细分析了反射镜以及键合界面的吸收对垂直腔面发射激光器光学特性的影响. 结果表明，反射镜以及键合界面的吸收对反射镜和垂直腔面发射激光器的反射率和势透射率有较大影响，而对反射镜中心波长处的反射相移以及垂直腔面发射激光器模式的反射相移和模式位置影响很小. 随着反射镜以及键合界面的吸收增大，反射镜中心波长处的反射率逐渐减小，垂直腔面发射激光器的模式反射率变化则是先急剧减小，达到一个极小值，然后再逐渐增大，而反射镜中心波长处以及垂直腔面发射激光器模式处的势透射率则都是迅速降低的. 此外，将有吸收的键合界面离有源区的距离远一些，有利于提高垂直腔面发射激光器模式处的光输出效率.     

Current spreading modification to enhance single-fundamental-mode VCSEL operation at higher temperatures

Continuous-wave (CW) performance of modern oxide-confined (OC) vertical-cavity surface-emitting diode lasers (VCSELs) at room and elevated temperatures is investigated with the aid of the comprehensive fully self-consistent optical-electrical-thermal-gain model. A standard OC GaInNAs/GaAs double-quantum-well VCSEL emitting the 1.3-μm radiation is used as a typical modern VCSEL structure. The oxide aperture is placed at the anti-node position of an optical standing wave within a VCSEL cavity. The desired single-fundamental-mode (SFM) operation has been found to be expected only in VCSELs equipped with relatively small active regions of diameters equal or smaller than 10 μm. Therefore a proton implantation used as an radial additional confinement of the current spreading from the upper annular contact towards the centrally located active region is proposed and its impact on the VCSEL performance is investigated. The above structure modification has been found to enable a radical improvement in the VCSEL performance. In particular, in this case, the SFM VCSEL operation is possible even in VCSELs with quite large active regions and for much wider ambient-temperature range than in the standard OC VCSELs.     

氧化光栅型垂直腔面发射激光器的研究

通过分析矩形出光孔径和亚波长金属光栅结构,发现大孔径高功率垂直腔面发射激光器(VCSEL)的偏振控制的难点在于横模非常复杂。因此提出一种新型的氧化光栅型VCSEL结构,不仅能够很好地在有源区内引入各项异性的增益结构,并且最大的优势还在于能够完美地控制大孔径VCSEL的横模。通过有限元软件对器件有源区的电流分布进行了模拟,发现当光栅脊的宽度为1.8 μm时,载流子在光栅两端聚集的现象基本上可以消除,而且其电流密度分布差可以达到很高。     

Sensitivity of a VCSEL threshold performance to inaccuracies in its manufacturing

The paper describes an impact of various possible inaccuracies in manufacturing of verticalcavity surface-emitting diode lasers (VCSELs), like thicknesses and compositions of their layers different from assumed ones, on VCSEL room-temperature (RT) continuous-wave (CW) threshold performance. To this end, the fully self-consistent comprehensive optical-electrical-thermal-recombination VCSEL model has been applied. While the analysis has been carried out for the 1.3-μm oxide-confined intra-cavity contacted GaInNAs/GaAs VCSEL, its conclusions are believed to be more general and concern most of modern VCSEL designs. As expected, the VCSEL active region has been found to require the most scrupulous care in its fabrication, any uncontrolled variation in compositions and/or thicknesses of its layers is followed by unaccepted RT CW lasing threshold increase. Also spacer thicknesses should be manufactured with care to ensure a proper overlapping of the optical standing wave and both the gain and lossy areas within the cavity. On the contrary, less than 5% thickness changes in distributed-Bragg-reflectors are followed by nearly insignificant changes in VCSEL RT CW threshold. However, exceeding the above limit causes a rapid increase in lasing thresholds. As expected, in all the above cases, VCSELs equipped with larger active regions have been confirmed to require more careful technology. The above results should enable easier organization of VCSEL manufacturing.     

1.3μm量子点垂直腔面发射激光器高频响应的优化设计

结合垂直腔面发射激光器(VCSEL)原理以及量子点增益特点，计算了有源层p掺杂结构的量子点VCSEL的材料增益和3 dB带宽，发现p掺杂结构可以大大提高频率特性.结合VCSEL激射条件和阈值特性，分析了对VCSEL结构的要求；分析了分布参数对频率特性的影响，对其外部封装提出了要求.设计了高频率响应的含氧化限制层的1.3 μm量子点VCSEL结构. 关键词： 量子点 垂直腔面发射激光器 微分增益 3 dB带宽     

Current spreading and series resistance of proton-implanted vertical-cavity top-surface-emitting lasers

In this paper, the current flow through the whole volume of the proton-implanted Vertical-Cavity top-Surface-Emitting Lasers (VCSELs) is analysed in detail. A simple approximate analytical relation was derived for a radial distribution of the current density entering active regions of those lasers. This distribution is nearly uniform in the case of VCSELs with a very small active region, but is becoming more and more non-uniform with an increase in its size. In VCSELs with very large active regions, current is flowing practically only within a narrow annular area close to the active-region perimeter. The VCSEL series electrical resistance is determined as a function of its active-region radius.     

基于椭圆偏振光注入垂直腔表面发射激光器的正交偏振模式单周期振荡产生两路光子微波

提出了基于椭圆偏振光注入下垂直腔表面发射激光器(VCSEL)输出的正交偏振模式单周期(P1)振荡来同时获取两路光子微波的实现方案, 并进行了相关仿真研究. 结果表明: 在合适的参数条件下, 一个自由运行的VCSEL(定义为主VCSEL, M-VCSEL)可输出椭圆偏振光, 其X偏振分量和Y 偏振分量具有相同的激射频率; 将M-VCSEL输出的椭圆偏振光注入到另外一个VCSEL(定义为副VCSEL, S-VCSEL), 在给定主副VCSEL间频率失谐的条件下, 通过选择合适的注入强度可使S-VCSEL 中两个偏振分量均呈现单周期(P1)振荡, 从而可获得两正交的光子微波信号; 随着注入强度的增加, 光子微波的频率以及功率均呈现增加的趋势; 结合微波频率、功率以及输出光谱中第一边带和第二边带的幅度差在由注入强度和频率失谐所构成参数空间下的分布图, 可确定获取高品质微波信号的优化注入参数范围.     

厚度偏差对VCSEL的反射谱和反射相移的影响

采用光学传输矩阵方法分析了厚度偏差对VCSEL的反射谱和反射相移产生的影响。结果表明,反射镜和VCSEL中各层厚度的偏大,将使反射镜的中心波长以及VCSEL的模式波长向长波方向移动,而反射镜和VCSEL中各层厚度的偏小,将使反射镜的中心波长以及VCSEL的模式波长向短波方向移动。将键合界面离有源区稍微远一些,有利于减小其厚度偏差对VCSEL的模式波长的影响。     

主副垂直腔面发射激光器动力学系统混沌输出的时延特征及带宽分析

基于垂直腔面发射激光器(VCSEL)的自旋反转模型, 数值研究了由一个光反馈VCSEL (定义为主VCSEL, M-VCSEL)输出的混沌光单向注入到另一个VCSEL (定义为副VCSLE, S-VCSEL)所构成的主副VCSELs系统的混沌动力学特性, 分析了注入强度、M-VCSEL与S-VCSEL之间的频率失谐以及M-VCSEL所受到的光反馈强度对系统混沌输出时延特征(包括强度时延特征(I-TDS) 和相位时延特征(P-TDS))以及输出带宽(BW)的影响. 结果显示: 通过调节注入强度和频率失谐, 该系统混沌输出的两个偏振分量(X-PC和Y-PC)的P-TDS和I-TDS可以同时得到抑制; 进一步分析注入强度和频率失谐对混沌BW的影响, 发现在较大负频率失谐区域, 系统可输出BW超过30 GHz 的X-PC和Y-PC混沌信号; 结合系统混沌输出信号的TDS与BW在注入强度和频率失谐参量空间下的演化特性, 可确定宽带宽、低时延特征混沌信号输出的参量空间区域. 此外, 通过合理调节M-VCSEL 所受到的光反馈强度, 可以显著优化系统的混沌输出信号质量.     

Transverse-mode selectivity in possible nitride vertical-cavity surface-emitting lasers

Excitation of various transverse modes in possible nitride vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) is investigated and compared using the effective frequency optical model. In the comparative analysis of laser mode selectivity, two distinctly different configurations of possible nitride VCSELs are considered: the traditional VCSEL design with both (n-side and p-side) ring contacts as well as the uniform-current-injection (UCI) VCSEL design. Our simulation reveals that, during the continuous-wave device operation at room temperature, a multi-mode operation dominated by higher-order transverse modes is typical for traditional nitride VCSEL configurations whereas a desirable single-mode (based on the fundamental LP₀₁ mode) operation turns out to be characteristic for the wide current range in UCI ones. The above different threshold device behaviours are an immediate consequence of essentially different current-spreading phenomena in both VCSEL designs, resulting in completely different not only gain profiles but also temperature distributions within the laser active regions of both VCSELs. Seemingly similar behaviour has been also reported in arsenide VCSELs but it is expected to be much more severe in the case of nitride ones as a result of much higher both electrical resistivities of p-type nitrides and their temperature derivatives of refractive indices.