介质膜集成衬底垂直外腔面发射激光器

垂直外腔面发射激光器(VECSEL)可以实现大功率的高光束质量输出.针对外腔制作工艺复杂、腔体结构松散的缺点,研制了一种介质膜集成衬底表面外腔底面发射激光器.将衬底表面生长的多层介质绝缘薄膜与N-DBR、P-DBR共同构成复合腔结构,衬底充当外腔.该结构能够抑制高阶模式,进而优化输出光谱及远场发散角等光束特性.在已有的理论指导下,制作了有源区直径为200 μm、外腔腔长250 μm的VECSEL.室温下,向器件连续直流注入3.4A,测试得到输出功率为260 mW,远场发散角的半角宽度为3.8°,光谱半高全宽为0.046 nm.与常规结构底面发射VCSEL进行比较,发现VECSEL器件的光束质量得到了明显改善,实验结果与理论仿真结果有较好的一致性.     

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。     

光子晶体波导对垂直腔面发射激光器光束远场形貌的调控

研究了光子晶体波导对垂直腔面发射激光器(VCSEL)光束远场形貌的调控.采用三层对称平板波导模型分析了影响光子晶体VCSEL(PC-VCSEL)远场发散角的参数.研究表明,PC-VCSEL中光子晶体的填充比(空气孔直径和光子晶体周期的比值)以及空气孔的刻蚀深度控制了光束的发散角,低填充比和浅刻蚀的PC-VCSEL有利于获得低发散角的光束.设计并制作了两种不同结构参数的PC-VCSEL,这两种器件中光子晶体的填充比和空气孔的刻蚀深度不同.实验结果表明,低填充比和浅刻蚀的PC-VCSEL的发散角更低,与理论分析符合得很好.     

940 nm垂直腔面发射激光器单管器件的设计与制备

计算了InGaAs/AlGaAs量子阱的激射波长与阱垒厚度的关系,并通过Rsoft软件计算了不同温度下的材料增益特性.计算并分析了渐变层厚度对分布布拉格反射镜(distributed Bragg reflectors,DBRs)势垒尖峰及反射谱的影响,通过传输矩阵理论得到P-DBR和N-DBR的反射谱和相位谱.模拟了垂直腔面发射激光器(vertical surface emitting lasers,VCSEL)结构整体的光场分布,驻波波峰与量子阱位置符合,基于有限元分析模拟了氧化层对电流限制的影响.通过计算光子晶体垂直腔面发射激光器(photonic crystal vertical cavity surface emitting lasers,PC-VCSEL)中不同的模式分布及其品质因子Q,证明该结构可以有效地实现基横模输出.通过光刻、刻蚀、沉积、剥离等半导体工艺成功制备出氧化孔径为22μm的VCSEL和PC-VCSEL,VCSEL的阈值电流为5.2 mA,斜率效率0.67 mW/mA,在不同电流光谱测试中均是明显的多横模输出;PC-VCSEL的阈值电流为6.5 mA,基横模输出...     

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。     

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。     

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。     

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：     

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。     

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。     

大功率垂直腔面发射激光器的相干性测量与分析

通过有机化学气象沉积(MOCVD)技术在n型GaAs衬底上生长制作了发射波长为850nm的VCSELs4×4列阵器件,介绍了VCSELs的制作工艺流程.对器件进行了相干性测量,计算了干涉条纹可见度,分析了影响干涉条纹可见度的因素.     

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。     

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

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

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.     

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.     

The improved output performance of a broad-area vertical-cavity surface-emitting laser with an optimized electrode diameter

The output performance of a 980-nm broad-area vertical-cavity surface-emitting laser(VCSEL) is improved by optimizing the p-electrode diameter in this study.Based on a three-dimensional finite-element method,the current density distribution within the active region of the VCSEL is optimized through the appropriate adjustment of the p-electrode diameter,and uniform current-density distribution is achieved.Then,the effects of this optimization are studied experimentally.The L-I-V characteristics under different temperatures of the VCSELs with different p-electrode diameters are investigated,and better temperature stability is demonstrated in the VCSEL with an optimized p-electrode diameter.The far-field measurements show that with an injected current of 2 A,the far-field divergence angle of the VCSEL with an optimized p-electrode diameter is 9°,which is much lower than the far-field angle of the VCSEL without this optimization.Also the VCSEL with an optimized p-electrode diameter shows a better near-field distribution.     

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。