AlInGaAs/AlGaAs垂直腔面发射激光器温度特性的对比研究

通过测量、对比材料生长和器件制备条件基本相似，但是谐振腔腔模波长与增益峰值波长相对位置明显不同的两类氧化物限制型应变AlInGaAs/AlGaAs量子阱垂直腔面发射激光器(VCSEL)在261—369K温度范围内输出光功率-电流的变温曲线，同时结合测试得到的两类样品的白光反射谱、光荧光谱以及模拟计算得到的不同温度下VCSEL反射谱和增益谱，分析了输出光功率、阈值电流、斜率效率和激射波长随温度变化的关系，掌握了新材料AlInGaAs的温度特性，得到了谐振腔腔模波长和增益峰值波长的相对位置对VCSEL输出特性，尤其是对阈值的影响规律，指出获得室温工作阈值最低且稳定的VCSEL的一个方法是调整谐振腔腔模波长和增益峰值波长的相对位置，并利用这种方法获得了特征温度T₀=333K的AlInGaAs/AlGaAs量子阱VCSEL器件. 关键词： AlInGaAs 垂直腔面发射激光器 特征温度     

1.3μm GaAs基量子点垂直腔面发射激光器结构设计与分析

结合垂直腔面发射激光器（VCSEL）原理以及量子点增益特点，计算了不同结构VCSEL的腔内损耗和量子点的模式增益.分析了激光器阈值特性以及氧化限制层对光损耗的影响.设计了含 氧化限制层的13μm量子点VCSEL结构. 关键词： 量子点 垂直腔面发射激光器 增益     

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     

高速850 nm垂直腔面发射激光器的优化设计与外延生长

利用传输矩阵理论和TFCalc薄膜设计软件分析了分布布拉格反射镜和垂直腔面发射激光器(VCSEL)的反射率谱特性,对比了从谐振腔入射与从表面入射时反射率谱的差异,为白光反射谱表征VCSEL外延片提供了依据.利用Crosslight软件模拟了InGaAs/AlGaAs应变量子阱的增益谱随温度的变化特性及VCSEL器件内部温度分布,设计了增益-腔模调谐的VCSEL.采用金属有机物化学气相淀积设备外延生长了顶发射VCSEL,制作了氧化孔径为7.5μm的氧化限制型VCSEL器件,测试了器件的直流特性、光谱特性和眼图特性;6 mA,2.5 V偏置条件下输出光功率达5 mW,4级脉冲幅度调制传输速率达50 Gbit/s.     

940nm垂直腔面发射激光器的设计及制备

利用PICS3D计算得到InGaAs/GaAsP应变补偿量子阱的增益特性,得到量子阱的各项参数,再通过传输矩阵理论和TFCalc膜系设计软件分别仿真出上下分布式布拉格反射镜的白光反射谱.采用金属有机化合物气相沉积技术外延生长了垂直腔面发射激光器结构,之后通过干法刻蚀、湿法氧化以及金属电极等芯片技术制备得到8μm氧化孔径的VCSEL芯片.最终,测试得到其光电特性实现室温下阈值电流和斜效率分别为0.95 mA和0.96 W/A,在6 mA电流和2 V电压下输出功率达到4.75 mW,并测试了VCSEL的高温特性.     

高功率1060 nm垂直腔面发射激光器

为了提高1060 nm垂直腔面发射激光器（VCSEL）的性能,本文对大功率1060 nm VCSEL进行了理论模拟和实验研究。计算得到红移速度为0.40 nm/K,据此确定增益和腔模失配量为-20 nm。对比分析了6种不同InGaAs组分和厚度的量子阱,以及3种不同势垒材料的增益特性和输出特性,模拟结果表明,应变补偿的InGaAs/GaAsP量子阱有源区在温度稳定性、阈值电流以及功率方面更有优势。对P型分布式布拉格反射镜（DBR）进行优化设计,优化DBR渐变层厚度和对数,有助于获得更好的输出特性。采用金属有机化学气相沉积生长了InGaAs/GaAsP应变补偿量子阱结构的VCSEL外延片,并制备了单管和阵列VCSEL,实验数据和理论分析基本吻合。实验测得,288单元VCSEL阵列在4.5 A电流下,连续输出功率为2.62 W,最高电光转换效率为36.8%,5 mm×5 mm VCSEL阵列准连续条件下（脉宽为100μs,占空比为1%）,且在100 A电流下,获得峰值功率为53.4 W。     

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     

新型光泵浦垂直外腔面发射半导体激光器

用量子阱技术生长的半导体材料作激光增益介质,AlGaAs/GaAs对做布喇格反射镜,并以简单的平凹腔做谐振腔,半导体激光器作泵浦源,制作出了光泵垂直外腔面发射半导体激光器.在抽运功率1.5 W时,得到了中心波长1005 nm、最大输出功率40 mW的激光,光－光转换效率2.7%.     

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...     

980nm OPS-VECSEL关键参数的理论分析

光抽运半导体垂直外腔面发射激光器(Optically Pumped Semiconductor Vertical External Cavity SurfaceEmission Laser)的输出特性受到诸多参数的影响,理论分析和模拟显得尤为重要.设计了一种以808 nm二极管激光耦合模块为光抽运光源,In_0.159Ga_0.841As/GaAs_0.94P_0.06为增益介质的980 nm光抽运垂直外腔面发射激光器,并借助于PICS3D软件计算了器件各种特性参数.分析了芯片半径、量子阱的周期数以及外腔镜反射率对器件性能的影响,特别是对阈值和光-光转换效率的影响.模拟结果表明,器件的半径影响光-光转换效率.量子阱个数和外腔镜反射率对器件的输出功率和光-光转换效率都有影响,所以要根据实际需要,设计、生长结构和进行实验.     

p型掺杂1.3μm InAs/GaAs量子点激光器的最大模式增益特性的研究

对p型掺杂13 μm InAs/GaAs量子点激光器的最大模式增益进行了实验和理论分析.实验上,测量了不同腔长激光器阈值电流密度与总损耗的对应关系,拟合出的最大模式增益为175 cm^-1,与相同结构非掺杂量子点激光器的最大模式增益一致.同时理论分析表明,p型掺杂对InAs/GaAs量子点激光器的最大模式增益并无影响,并且最大模式增益的计算结果与实验值相符.具有较小高度或高宽比的量子点能达到更高的最大模式增益,而较高的最大模式增益对p型掺杂13 μm InAs/GaAs自组织量子点激光器在光通信系统中的应用具有重要意义. 关键词： 最大模式增益 p型掺杂 InAs/GaAs量子点激光器     

80 Gb/s高速PAM4调制850 nm垂直腔面发射激光器

展示了高速直接调制850 nm氧化物限制垂直腔面发射激光器（VCSEL）的结果。优化设计应变InGaAs/AlGaAs量子阱以实现高微分增益,通过表面刻蚀来调节光子寿命实现响应平坦化。研制的氧化物孔径约7μm的VCSEL具有平坦的频率响应,3 dB调制带宽为24 GHz,相对噪声强度值-155 dB/Hz,未采用任何预加重和均衡技术情况下PAM4调制数据传输速率达80 Gb/s。     

基于两端自发荧光辐射的808nm半导体激光器增益偏振特性实验表征和能带分析

通过半导体激光器两端的放大自发荧光辐射可以获取器件的光学增益信息. 本文利用这一新的增益实验测量方法, 开展了对连续运行的808nm GaAs/AlGaAs量子阱激光器横向电场 (TE)与磁场(TM)偏振增益特性的实验研究. 通过将实验结果与理论增益曲线对比, 分析了非应变GaAs量子阱TE和TM极化偏振对应的空穴子能带随注入电流的变化规律, 以及激光器在连续运行状态下的实际增益状态和影响因素. 关键词： 半导体激光器 增益测量 偏振 量子阱和能带     

具有宽调谐范围的微纳光机电系统可调谐垂直腔面发射激光器研究

基于微纳机械技术设计得到了可调谐垂直腔面发射激光器结构,将具有Al_0.8Ga_0.2As牺牲层结构的DBR反射镜制备成微纳光机电系统,并与多量子阱有源区光纵向耦合结构相结合.其中,微纳光机电DBR结构不再是简单的分布布拉格反射镜,而是对光波具有高调制作用的可动微纳机械反射镜系统,并在静电力作用下可以动态调谐VCSEL谐振腔的激射波长.实验结果显示,当激光器调谐电压从0 V增加到7 V时,对应激射波长将从968.8 nm蓝移到950 nm,整个调谐范围达到了18.8 关键词： 垂直腔面发射激光器 微纳光机械 波长可调谐     

高功率980nm垂直腔面发射激光器的亮度特性

在循环水冷却(工作环境温度控制在15℃)和连续注入电流条件下,从垂直腔面发射激光器(VCSEL)亮度基本定义出发,实验测量了不同注入电流时口径为400μm的高功率980nm InGaAs/GaAs应变量子阱垂直腔面发射激光器(VCSEL)的亮度特性。结果表明:在注入电流4 A时,随着注入电流的增加,亮度也跟着增加;当注入电流4A时,尽管输出功率在增加,但是器件的光束质量变差,M2因子升高,表明此时影响器件亮度的主导因素是M2因子,所以亮度减小;在注入电流为4A,输出功率为1.2W时,亮度达到最大值2.43kW/cm2.sr,此时的光束质量最好,M2因子为207。最后,分析了影响高功率VCSEL器件亮度特性的主要因素,提出了提高器件亮度特性的解决方法。     

高功率垂直外腔面发射半导体激光器增益设计及制备

垂直外腔面发射半导体激光器(vertical external cavity surface emitting laser, VECSEL)兼具高功率与良好的光束质量,是半导体激光器领域的持续研究热点之一.本文开展了光抽运VECSEL最核心的多量子阱增益区设计,对量子阱增益光谱及其峰值增益与载流子浓度及温度等关系进行系统的理论优化,并对5种不同势垒构型的量子阱增益特性进行对比,证实采用双侧GaAsP应变补偿的发光区具有更理想的增益特性.对MOCVD生长的VECSEL进行器件制备,实现了VECSEL在抽运功率为35 W时输出功率达到9.82 W,并且功率曲线仍然没有饱和;通过变化外腔镜的反射率, VECSEL的激光波长随抽运功率的漂移系数由0.216 nm/W降低至0.16 nm/W,证实外腔镜反射率会影响VECSEL增益芯片内部热效应,从而影响VECSEL激光输出功率.所制备VECSEL在两正交方向上的发散角分别为9.2°和9.0°,激光光斑呈现良好的圆形对称性.     

键合界面阻抗对VCSEL的电、热学特性的影响

采用一电阻层来表征键合界面处的阻抗.通过求泊松方程、电流密度方程、载流子扩散方程以及有源层结压降方程自洽解的方法，计算了VCSEL的电势分布，进而求解热传导方程，得到VCSEL的温度分布.详细分析了键合界面阻抗对晶片键合结构垂直腔面发射激光器内部的电势分布、温度分布以及有源层中的注入电流密度、载流子浓度、结压降和温度沿径向分布的影响.     

垂直腔面发射激光器的饱和效应对慢光延时影响的研究

通过理论和实验研究了1550 nm量子阱垂直腔面发射激光器(QW-VCSEL) 的饱和效应对2.5 Gbps二进制伪随机序列(PRBS)慢光延时的影响. 利用Fabry-Perot腔边界条件结合光场分布, 推导出VCSEL中信号相位和延时表达式, 并结合速率方程, 建立信号功率与延时之间的联系. 实验研究了在VCSEL逐渐达到饱和状态过程中PRBS信号的延时时间和眼图的变化情况. 理论和实验结果表明, 由于受饱和效应的影响, 大功率信号在VCSEL中传输得到更好的信号质量, 但以牺牲延迟时间为代价. 为了获得较大的时延, 一方面需要控制信号功率, 其次还需要调节信号波长以追踪由于饱和效应导致的VCSEL峰值增益波长的变化轨迹. 关键词： 慢光延时 垂直腔面发射激光器 饱和效应     

GaN基蓝光VCSEL的制备及光学特性

利用金属有机物气相沉积技术(MOCVD)在(0001)蓝宝石衬底上生长了Ga N基垂直腔面发射激光器(VCSEL)的多量子阱腔层结构。X射线衍射测量显示该多量子阱具有良好周期结构和平整界面。运用键合及激光剥离技术将该外延片制作成VCSEL,顶部和底部反射镜为极高反射率的介质膜分布布拉格反射镜(DBR)。在室温、紫外脉冲激光的泵浦条件下,观察到了VCSEL明显的激射现象,峰值波长位于447.7 nm,半高宽为0.11 nm,自发辐射因子约为6.0×10-2,阈值能量密度约为8.8 m J/cm2。在大幅度降低制作难度的情况下,得到目前国际最好结果同样数量级的激射阈值。降低器件制作难度有利于制备的重复性,有利于器件的产品化。     

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.