大功率垂直腔面发射激光器列阵的热模拟及优化

对垂直腔面发射激光器的产热情况进行了分析,简化了热源,建立了列阵的热传导模型,利用Comsol Multiphysics软件对模型进行了模拟计算。通过改变底发射列阵的单元直径和间距,对列阵的温升进行了计算。研制了4×4、5×5和8×8三种不同尺寸的列阵,功率分别为580,1 440,2 100 mW,对应功率密度分别为115,374,853 W/cm2。通过光谱的波长漂移计算出4 A时的温升分别为120,58,38℃。采用小孔径单元制作的列阵可以有效地降低列阵单元间的热串扰,获得高功率输出。     

垂直腔面发射半导体微腔激光器

评述了垂直腔面发射半导体激光器研究的最新进展,就其结构特点、应变量子阱结构、超晶格镜面和微腔效应作了简要的论述,探讨了进一步降低半导体激光器阈值的途径,介绍了新型的氧化约束型垂直腔面发射半导体激光器,并对微腔激光器中自发辐射增强效应和三维封闭腔的特性给出了描述,同时展望了该器件的应用及发展前景。     

980 nm大功率垂直腔面发射激光器偏振特性

大功率垂直腔面发射激光器单管器件出光口径大、横向模式多。随着注入电流和工作温度的改变出射光偏振态在两个正交偏振基态上转换。为分析输出光偏振特性,采用500μm出光口径980nm底发射器件,通过控制器件热沉温度,利用偏振分光镜分离正交偏振基态为透射波和反射波,半导体综合参数测试仪测量其功率、中心波长等参量。分析得出:两个偏振态的光功率温度特性与未加偏振分光镜时的总输出光的温度特性基本一致,中心波长差随温度升高缓慢增加。在温度低于328K时,随着注入电流的增大,反射波首先达到阈值,形成激射。但透射光波形成激射后其斜效率大于反射波。因此在达到某个电流后两个偏振态的功率变化曲线出现交替。当温度升高到328K以上时两个偏振态的功率曲线却没有明显的交替。根据对大尺寸VCSEL器件偏振特性的研究,提出通过外腔选频的方法来控制偏振的方案,分析计算后得出外腔腔长大约为0.45mm。     

垂直腔面发射激光器研究进展

垂直腔面发射激光器(Vertical-cavity surface-emitting laser,VCSEL)是40多年前被发明的,具有很多独特的优势,例如尺寸小、功耗低、效率高、寿命长、圆形光束以及二维面阵集成等。近年来,VCSEL市场发展迅速,在5G通信、光信息存储、3D传感、激光雷达、材料加工以及激光显示等领域被广泛应用。针对不同的应用需求,VCSEL的功率、速率、能效、高温性能以及波长的多样性等性能都有了长足的进步。本文首先介绍了VCSEL的研究历程和优点特性;综述了VCSEL在高功率、高速、高温下工作等方面的研究进展和应用现状;最后对VCSEL的最新应用做了介绍,展望了VCSEL的市场。     

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：     

半导体垂直腔面发射激光器的微腔效应

应用腔量子电动力学和半导体物理学讨论了半导体垂直腔面发射激光器的微腔效应,得到了实际腔结构和注入载流子下的半导体生趣腔面发射激光器的自发发射谱,计算结果表明,半导体分布布拉格反射垂直腔激光器的单方向自发发射可以境强约２００倍。     

808 nm垂直腔面发射激光器列阵的温度特性分析

为了研究温度对808 nm InGaAlAs垂直腔面发射激光器（VCSEL）列阵输出特性的影响,通过变温塞耳迈耶尔方程计算了InGaAlAs量子阱VCSEL的温度漂移系数。采用非闭合环结构,制备了2×2 的808 nm垂直腔面发射激光器列阵,每个单元的出光口径为60 μm。通过热沉温度调节,对不同温度下的列阵激射波长、光功率以及阈值电流进行了测量。在温度为20 ℃、脉宽为50 μs、重复频率为100 Hz的脉冲条件下,列阵的最大输出功率达到56 mW,中心光谱值为808.38 nm,光谱半宽为2.5 nm,连续输出功率达到22 mW。通过变温测试,发现输出功率在50 ℃以上衰减剧烈,列阵的温漂系数为0.055 nm/℃。实验测得的温漂系数与理论值保持一致。     

高峰值功率808nm垂直腔面发射激光器列阵

为了实现808 nm垂直腔面发射激光器(VCSEL)的高功率输出,对808 nm VCSEL的分布式布拉格反射镜(DBR)结构材料进行了优化设计,分析了AlxGa1-xAs材料中Al组分对于折射率与吸收的影响,并最终确定了材料。采用非闭合环结构制备了2×2 VCSEL列阵。通过波形分析法对VCSEL列阵的功率进行了测量:在脉冲宽度为20 ns、重复频率为100 Hz、注入电流为110 A的条件下,最大峰值功率为30 W;在脉冲宽度为60 ns、重复频率为100 Hz、注入电流为30 A的条件下,最大功率为9 W。对列阵的近场和远场进行了测量,激光器垂直发散角和水平发散角半高全宽分别为16.9°和17.6°。     

新型垂直腔面发射半导体激光器阵列

设计出四次质子注入工艺制备垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列的方法,实现了对阵列中单元器件间的隔离以及对单元器件注入电流限制的分别作用。一方面通过对VCSEL外延片上分布布拉格反射镜(DBR)两次较浅的质子注入形成高电阻区域实现对阵列中单元器件间的隔离,另一方面通过再次的两次较深度的可以达到有源区上表面的质子注入形成高电阻区域实现对单元器件注入电流的限制。由瞬态热传导方程对阵列中单元器件间的热相互作用进行了理论分析。采用四次质子注入工艺实现了2×2、3×3简单的二维GaAs/AlGaAs量子阱VCSEL阵列,并对器件的激射近场、光谱特性及功率等进行了测量。     

纵向耦合对垂直腔面发射激光器的影响

考虑到垂直腔面发射激光器中的光子与载流子的纵向耦合,在行波速率方程中引入了纵向耦合因子。利用这个速率方程,讨论了阀值电流与量子阱数目的关系,计算结果表明光子与载流子的纵向耦合是不容忽视的。给出了阀值电流表达式,它表明纵向耦合因子越大,阀值电流越低。     

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。     

小发散角垂直腔面发射激光器的设计与制作

针对垂直腔面发射激光器单管及列阵器件较大的远场发散角,对大直径单管器件及列阵单元器件的有源区中的电流密度分布进行了模拟计算,分析了器件高阶横模产生的原因.分别采用优化p面电极直径和镀制额外金层结构来抑制单管及列阵器件远场光斑中的高阶边模,所制作的氧化孔径为600 μm的单管器件的远场发散角半角宽度从30°降低到15°;...     

Vertical－cavity Surface－emitting Lasers Fabricated Twice by Implantation Using TungstenWireasMaskandZincDiffusion

Ｖｅｒｔｉｃａｌ－ｃａｖｉｔｙＳｕｒｆａｃｅ－ｅｍｉｔｔｉｎｇＬａｓｅｒｓＦａｂｒｉｃａｔｅｄＴｗｉｃｅｂｙＩｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎＵｓｉｎｇＴｕｎｇｓｔｅｎＷｉｒｅａｓＭａｓｋａｎｄＺｉｎｃＤｉｆｆｕｓｉｏｎ￥ＪＩＡＮＧＸｉｕｙｉｎｇ；ＤＵＧｕｏｔ...     

利用亚波长矩形金属光栅稳定980nm高功率垂直腔面发射激光器偏振

利用亚波长矩形金属光栅的偏振特性,在垂直腔面发射激光器的有源区引入各向异性增益从而达到控制其偏振的目的.光栅参数设计基于均匀介质理论和抗反射理论,光栅设计周期为186 nm,占空比为0.5,并且光栅制作于GaAs盖层来对TE偏振光提供额外的反射率.经过设计分析对p-DBRs的对数进行了缩减,并且将光栅条之间的盖层区域刻蚀掉,刻蚀深度为1 μm左右.盖层刻蚀的结果使电流注入的方向严格沿着光栅条线性注入的有源区,从而增加了非均匀增益并提高了偏振比.通过多物理场有限元分析软件对器件进行了模拟分析,结果基本上符合设计要求.通过优化工艺步骤,最终得到了550 μm孔径器件的输出功率为780 mW,并且偏振比达到4.8的结果.     

基于亚波长金属光栅的980 nm 高功率垂直腔面发射激光器偏振控制

利用制作在P-DBRs表面的亚波长金属光栅, 在980 nm高功率底发射垂直腔面发射激光器有源区引入各向异性增益,达到了偏振控制的目的。本光栅基于等效介质理论和抗反射理论设计而成,光栅周期为186 nm,占空比为0.5。通过多物理场有限元分析软件对所设计的光栅进行了模拟分析,结果基本上符合设计要求。通过优化工艺步骤得到了较好的实验结果,550 μm孔径的VCSEL在正交方向上的偏振比为3,输出功率达到870 mW。     

高功率InGaAs量子阱垂直腔面发射激光器的研制

采用AlAs氧化物限制工艺实验制备了衬底出光的高功率大出光窗口（直径为300 μm）InGaAs/GaAs量子阱垂直腔面发射半导体激光器,实现了器件室温准连续工作（脉冲宽度为50 μs,重复频率为1000 Hz）,并对器件的伏安特性、光输出特性、发射光谱,以及器件的远场发射特性等进行了实验测试.器件阈值电流为460mA,器件的最大光输出功率为100mW,发射波长为978.6nm, 光谱半功率全宽度为1.0 nm,远场发散角小于10°,垂直方向的发散角θ_⊥为8°,水平方向的发散角θ_∥为9°,基本为圆形对称光束.     

Structure Optimisation of a Possible 1.5-μm GaAs-based Vertical-cavity Surface-emitting Laser Diode with the GaInNAsSb/GaNAs Quantum-well Active Region

Structure optimisation of the GaAs-based GaInNAsSb/GaNAs quantum-well (QW) vertical-cavity surface-emitting diode lasers (VCSELs) has been carried out using the comprehensive three-dimensional self-consistent physical model of their room-temperature (RT) continuous-wave (CW) threshold operation. The model has been applied to investigate a possibility to use these devices as carrier-wave lasing sources in the third-generation optical-fibre communication. In this simulation, all physical (optical, electrical, thermal and gain) phenomena crucial for a laser operation including all important interactions between them are taken into consideration. As expected, the 1.5λ-cavity VCSEL has been found to demonstrate the lowest RT CW threshold. However, for many VCSEL applications, the analogous VCSEL equipped with a longer 3λ-cavity should be recommended because it exhibits only slightly higher threshold but manifest much better mode selectivity – the desired single-fundamental-mode operation has been preserved in these devices up to at least 380 K. The Auger recombination has been found to be decidedly the main reason of the threshold current increase at higher temperatures. A proper initial red detuning of the resonator wavelength with respect to the gain spectrum may drastically decrease CW lasing thresholds, especially at higher temperatures.     

基于PAM4制的高速垂直腔面发射激光器研究进展

短距离光互联技术在云计算、5G通信、物联网技术等方面有重要的商业应用价值。基于高速垂直腔面发射激光器(Vertical-cavity surface-emitting laser,VCSEL)与多模光纤组成链路、采用直接调制检测、并使用如四电平脉冲幅度调制(Four-level pulse amplitude modulation,PAM4)等的高阶调制模式是现阶段短距离光互联链路方案的首选。本文首先介绍了短距离光互联应用的研究现状;第二部分介绍了VCSEL的发展、结构以及动态参数;第三部分介绍了PAM4调制方法及伴随使用的各种电子技术(均衡,前向纠错,脉冲整形);第四部分介绍了提高单链路速率的波分复用(Wavelength division multiplexing,WDM)技术;最后对以高速VCSEL、多模光纤、直接调制检测、PAM4调制以及波分复用技术的短距离光互联方案应用前景做了总结和展望。     

基于光电负反馈的光注入1550nm垂直腔面发射激光器产生窄线宽微波信号

基于1 550nm垂直腔面发射激光器在平行偏振光注入下呈现的单周期非线性动力学状态,进一步引入光电负反馈,得到了高质量的微波信号.实验研究结果表明:平行偏振光注入下,通过调节注入光的注入强度及频率,1 550nm垂直腔面发射激光器可呈现注入锁定、单周期、倍周期、混沌等多种非线性动力学状态;在合适的注入参量下,平行偏振光注入1 550nm垂直腔面发射激光器可产生光谱具有单边带结构、频率超过10GHz的光子微波信号,但该微波信号的线宽较宽(达MHz量级);进一步引入光电负反馈后,通过选取合适的光电反馈强度,可将该微波信号的线宽减小至一百多kHz(减小两个量级以上);在选择优化的反馈强度条件下,仅通过简单调节注入光强度,可实现窄线宽光子微波信号的频率在一定范围内连续可调谐.