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《武汉大学》 2004年
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1.3μm GaInNAs/GaAs垂直腔面发射激光器的优化设计与制作

岳爱文  
【摘要】:随着人们对带宽需求的不断增加,光网络已逐渐应用于企业网和接入网。为了使光网络能更加广泛地应用于中短程的通信,要求光电子器件具有低成本、高速率和低功耗等特点。通常的边发射半导体激光器由于具有测试成本高、与光纤耦合精度要求高,耦合效率低以及工作电流高等缺点,不利于未来光网络在中短程的应用。因此,国际上一直在探寻低成本、高速率和低功耗的新型光有源器件。垂直腔面发射激光器(VCSEL)因具有在片测试、与光纤耦合效率高、调制速率高和功耗低等优点而极有可能成为今后中短程光网络中最有竞争优势的光源。鉴于850nm VCSEL在短距离的多模光纤网络中的成功应用,适合于中短程的单模光纤网络的1310nm VCSEL已经成为近年来激光器研究领域中一个十分活跃的课题。 本文研究了VCSEL的布拉格反射器(DBR)、量子阱结构和热效应对激光器光电性能的影响,提出了在采用直接接触的1.3μm GaInNAs VCSEL的设计中通过以下三种途径来优化器件结构,改善激光器的光电特性。(1)针对GaInNAs材料质量随N含量升高而急剧退化的特点,为了提高材料增益,将1.3μm GaInNAs VCSEL的量子阱设计为Ga_(0.65)In_(0.35)N_(0.01)As_(0.99)/GaAs,不仅可以使量子阱的增益峰值波长接近1.31μm,还有利于MOVPE生长出高质量的GaInNAs/GaAs量子阱。(2)为了减小VCSEL的电阻,对处于驻波波峰处的p-DBR区域进行轻掺杂,处于驻波波节处的区域进行高掺杂来降低界面间的势垒,从而减小激光器的电阻,改善由焦耳热带来的热效应;为了减小VCSEL的损耗,对p-DBR的体材料区域进行低掺杂来减小光吸收,从而获得较高的p-DBR反射率。(3)由于量子阱的增益波长随温度的漂移速度较VCSEL发射波长随温度漂移速度快,为了能使量子阱增益与发射波长之间在较宽的温度范围内有良好的匹配,优化量子阱增益峰值波长与发射波长之间的偏差,从而改善1.3μm GaInNAs VCSEL的光电特性。 通过对850nm VCSEL DBR的掺杂和对数优化、以及GaAs/AlGaAs量子阱的增益和发射波长的匹配优化,研制出了高性能的850nm氧化限制型VCSEL。激光器阈值电流小于2mA,斜率效率为0.5~0.6mW/mA,峰值光功率达11mW,串联电阻小于45Ω;工作温度可达到85℃。所研制出的850nm氧化限制型VCSEL的光电特性是目前国内报道的最好结果,同时达到了国外该类器件的同等水平。 根据上面的三种途径我们优化了1.3μm GaInNAs VCSEL的结构,研制出的1.3μmGaInNAs VCSEL的性能有显著的提高。对于氧化孔为2×2.8μm~2的单模1.3μmGaInNAs VCSEL,室温下阈值电流为1.0mA,激射波长为1283.9nm,6mA下的压降为3.3V,最大单模功率为0.256mW,6.5mA下的边模抑制比(SMSR)为46.53dB:对于 武汉大学博士论文1 .3 p .GalnNAs/G aAs垂直腔面发射激光器的优化设计与制作 氧化孔为5 x6p扩的单模1.3pmGal五NAsvcSEL,室温下的阐值电流为ZmA,最大 单模功率为0.65mw,SMSR超过40dB,在采用直接接触的单模1 .3 p m Gal五NAs vcsEL中,这些结果是目前国际报道的最好结果。对于氧化孔为5 x 6p扩的多模1 .3 p m GalhNAs vCSEL,室温下的闽值电流为1.53InA,6mA下的压降为2.85V,斜率效 率为0.12mw/mA,在50C、25oC和85oC下的最大光功率分别为l.058mw、0.883mw 和0.274mw;而且激光器在5一85oC内的闭值电流小于ZmA,55oC和85oC下的闽值 电流分别为1.13mA和1.52mA,这些结果是目前国际报道的1.3 p m GalnNAs VCSEL 的最好结果。 以上1.3 p mVCSEL的光电特性表明,通过优化1.3协mGal五NAsvCSEL卜DBR的 设计可以降低直接接触的1.3 p m GainNAsVCSEL的压降和电阻,从而有效地降低了对 1.3 p mVCSEL光电特性有很大影响的热效应;通过优化1.3pmGalhNAsVCSEL量子 阱的设计有利于MOVPE生长出高质量的Gal五NAs/GaAs量子阱,从而提高材料增益; 通过优化量子阱峰值增益波长和VCSEL发射波长之间的匹配可以使1.3 p m Gal五NAs VCSEL在较宽的温度范围内获得很好的光电特性。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TN248

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