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。     

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     

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.     

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。     

高功率垂直腔面发射激光器阵列热特性

为了改善垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列的热特性,提高器件的可靠性,本文基于有限元模型,研究了不同单元间距、排布方式对阵列器件的热串扰现象、热扩散性能的影响.在理论分析的基础上,制备了几种不同排布方式的VCSEL阵列器件,并对其进行测试分析.结果显示,相较于正方形排布方式,新型排布方式器件具有更高的输出功率,同时阈值电流也有所降低.其中五边形排布方式的器件表现出最佳的性能,其输出功率高达150 mW,比正方形排布方式提高了约73%.这表明通过调整阵列单元的间距、排列方式,可以使各单元间的热串扰现象得到有效改善,降低器件的热效应,进而降低器件温度,提高输出特性.     

高功率垂直腔面发射激光器的湿法腐蚀工艺

为提高高功率垂直腔面发射激光器(VCSEL)光电性能,对氧化限制型高功率VCSEL湿法腐蚀工艺进行了实验研究。实验中采用H₃PO₄系溶液替代以往制备此类器件常用的H₂SO₄系溶液作为高功率VCSEL外延片的腐蚀液,利用扫描电镜(SEM)研究了腐蚀后外延片氧化窗口的腐蚀形貌变化与腐蚀液浓度的关系,消除了以往采用H₂SO₄系溶液腐蚀时,高功率VCSEL氧化层侧壁出现的"燕尾"结构;通过改变湿法腐蚀工艺的外部温度条件和腐蚀液的浓度配比,实验研究了高功率VCSEL湿法腐蚀速率规律,最后得出了制备高功率VCSEL时湿法腐蚀工艺的最佳外部温度条件与腐蚀液的最佳浓度配比。     

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.     

高功率转换效率905 nm垂直腔面发射激光器的设计与制备

通过对影响垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser, VCSEL)的功率转换效率的因素进行理论分析,得出斜率效率是影响功率转换效率的主要因素的结论.为获得高功率转换效率,通过对有源区量子阱、P型和N型分布布拉格反射镜(DBR)等进行优化,设计出了905 nm VCSEL的外延结构并进行了高质量外延生长.成功制备出了不同氧化孔径的905 nm VCSEL器件,获得的最大斜率效率为1.12 W/A,最大转换效率为44.8%.此外,探究了氧化孔径对VCSEL的远场和光谱特性的影响.这种具有高功率转换效率的905 nm VCSEL器件为激光雷达的小型化、低成本化提供了良好的基础数据.     

808nm大孔径垂直腔面发射激光器研究

垂直腔面发射激光器(VCSEL)中的载流子聚集效应使注入到有源区的工作电流只是通过边缘环形区域很窄的通道,激光功率密度分布不均匀;尤其当器件尺寸较大时,激射光斑呈现环状,环中间光强很弱.这是研制电抽运高功率大尺寸VCSEL尤为突出的技术难题.采用新型结构成功研制出808 nm波段高功率大孔径VCSEL,在注入电流为1A时,室温下连续输出功率达0.3 W. 关键词： 半导体激光器 垂直腔面发射激光器 高功率 大孔径     

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。     

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。     

高光束质量垂直腔面发射激光器同相耦合阵列

质子注入型面发射激光器相干耦合阵列能够实现同相模式的激射,但是由于制作过程中的工艺不均匀性引起单元间存在相位差,影响光束的质量。本文通过设计分离电极结构,使每个单元注入的电流得到分别的控制,实现了3单元三角排列阵列高光束质量同相耦合模式的激射。阵列远场发散角仅为3.4°,大约有25.6%的全部能量聚集在中心光斑。激射光谱的线宽为0.24 nm,边模抑制比为27 dB。该方法能够有效提高相干耦合阵列的光束质量,弥补制作工艺中引入的单元不均匀性,提高器件的可靠性和实用性。质子注入方法简单、成本低,能够成为制作高光束质量相干耦合阵列的一个重要方法。     

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。     

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。     

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。     

利用垂直腔表面发射激光器注入锁定实现上变频

提出了一种基于垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的无本振光子微波上变频方案。该方案将相对低速的伪随机基带信号注入VCSEL中,利用注入信号的高次谐波注入锁定VCSEL。被锁定激光器波长与原注入光信号在谐振腔中相干差拍,产生上变频调幅微波信号。实验中利用2.5Gb/s非归零码强度调制信号注入锁定VCSEL,无需本振,实现了载波频率为14.3GHz的光子微波上变频,10kHz偏移处载波相位噪声达-81dBc/Hz。通过调节注入光信号的波长和功率,进一步实现载波频率在7.5~23GHz之间的调谐,验证了该方案的可行性,并对系统性能进行了误码分析,系统代价为1.4dB。结果证明该方案无需微波本振,仅需采用价格低廉的VCSEL即可实现光子微波上变频,从而为无线光混合接入网中光子微波信号产生技术提供了一种低成本的解决思路。     

Design and Fabrication of Microlens Array for Near-Field Vertical Cavity Surface Emitting Laser Parallel Optical Head

A GaP microlens for collecting laser light was developed in the tip of a near-field probe. It is important to realize a near-field optical probe head with high throughput and a small spot size. The design and fabrication results of the GaP microlens array are described. The most suitable GaP microlens with a probe was calculated as having a 10 μm radius using the two-dimensional finite difference time domain (2-D FDTD) method. The full width half maximum (FWHM) spot size variation and optical power density tolerance were calculated as 157 nm ± 5 nm and 7%, respectively. A spherical GaP microlens was fabricated with a radius of 10 μm by controlling the Cl₂/Ar gas mixture ratio. The difference between the theoretical spherical shape and the fabricated GaP microlens was evaluated as 40 nm at peak to valley. The FWHM spot size and optical throughput of the fabricated microlens were measured as 520 nm and 63%, respectively. The microlens was the same as a theoretical lens with a 10 μm radius. The micron-lens array fabrication process for a near-field optical head was demonstrated in this experiment.     

基于微蒸发腔制冷的大功率激光二极管制冷组件

利用节流的高压冷却介质在微蒸发腔内相变吸热,设计了一种用于大功率激光二极管制冷的封装组件。该组件采用高热导的无氧铜,用精密线切割、化学腐蚀等技术制作微蒸发腔,再通过自制的焊接设备完成制冷组件的封装。按照大功率激光二极管条的发热模型,理论上对微蒸发腔制冷组件的温度分布进行了数值模拟,结果与60 W激光二极管条的散热实验符合较好,得到制冷剂流量为23 m L/min时的热阻为0.289℃/W。     

Wavelength Tuning Characteristics of a Vertival Cavity Surface Emitting Laser Diode with an External Short Cavity

The characteristics of a wavelength tunable vertical cavity surface emitting laser diode (VCSEL) with an external short cavity are analyzed, in which the oscillation wavelength can be changed over several tens of nanometers with a nearly constant optical power by slightly altering the external cavity length. Analysis is based on rate equations for the optical power and carrier density, taking the effect of carrier-induced refractive index change into consideration, together with the study of behaviors of a complex resonator. The reflection coefficient r₂ of a laser facet facing the external mirror is shown to affect notably the characteristics of wavelength tuning, optical power and carrier density for a change of the external cavity length. It is also noticed that the wavelength change for this length becomes slower with relatively larger r₂ due to an increasing contribution of the effect of carrier-induced refractive index change, within the optical gain spectrum of the laser diode.     

半导体激光器光波准直特性研究

分析了半导体激光器光波经准直透镜的传输特性,对影响准直光束质量的主要因素作了深入讨论,并在实验上利用小口径大数值孔径透镜获得了高准确直度的光束。