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《中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)》 2012年
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大功率垂直腔面发射激光器的结构设计与研制

张立森  
【摘要】:与传统的边发射半导体激光器相比,垂直腔面发射激光器具有光束质量好、阈值电流低、单纵模工作、易于二维列阵集成和制造成本低廉等优点,引起了人们的广泛关注。近年来,由于其在固体激光泵浦、医疗、光通讯等领域的巨大应用市场极大地推动了VCSEL器件的研究和发展。面对各种不同的应用,人们制作了不同波段的VCSEL器件,为了泵浦掺铒光纤激光器,研制了高功率980nm器件,而发射波长为1060nm的大功率激光器在医学、工业、军事上具有广泛的应用,另外,采用腔内倍频的方法还可以输出532nm的绿光,市场上的绿光激光器主要是采用这种方法获得。现阶段1060nm VCSEL器件的研究主要集中在光互连等小功率器件。本文主要对大功率1060nmVCSEL器件进行设计,并在此基础上对980nmVCSEL的单管和列阵结构进行优化。 首先对1060nmVCSEL器件的有源区和上下DBR进行了理论计算和结构设计。采用张应变的GaAsP材料作为垒层,以降低InGaAs量子阱有源区的平均应变。计算了量子阱的带隙、带阶、量子化子能级等,对比了不同In组分、阱数和阱宽的VCSEL器件性能,最终确定的器件的有源区为3个In_(0.28)Ga_(0.72)As/GaAs_(0.8)P_(0.2)量子阱,阱层厚度为9nm,垒层厚度为15nm。对比了GaAs、Al_(0.15)Ga_(0.85)As和GaAs_(0.8)P_(0.2)三种材料作为垒层时的温度特性,发现随着温度的升高,GaAs_(0.8)P_(0.2)垒层量子阱的材料增益以及器件的输出功率降低更加缓慢,具有更好的高温特性。选择四分之一波长厚的Al_(0.1)Ga_(0.9)As和Al_(0.9)Ga_(0.1)As作为高低折射率材料组成上下DBR,考虑色散、吸收损耗和串联电阻的影响,采用传输矩阵的方法计算了不同对数DBR的反射谱。P-DBR高反射镜在30对时发射率达到99.9%以上,N-DBR低反射镜在20对时的反射率超过99.3%。利用PICS3D专业软件对该结构进行模拟,考虑温漂的影响,激射光谱的中心波长在1050nm附近,符合要求。 在1060nmVCSEL结构设计的基础上,对980nmVCSEL器件的结构进行了优化,综合考虑器件的阈值电流、输出功率以及转换效率等方面,得出了n-DBR的最佳反射率。研制了980nmVCSEL单管和列阵器件,对VCSEL器件的输出功率及激射光谱进行了测试。500μm直径单管器件在注入电流为110A时,峰值功率达到102W,功率密度为52KW/cm~2,与优化前相比有了极大的提高,4*4、5*5列阵器件在100A时,功率分别达到98W和103W。对比了500μm单管器件在连续、准连续和脉冲工作条件下的P-I特性和光谱特性,在连续工作时,随着电流的增加,器件的自热效应导致内部温度升高,使得输出功率很快饱和。而且器件的激射波长发生明显红移,漂移速率达到0.92nm/A,而在准连续下,漂移速率为0.3nm/A,脉冲条件下仅为0.0167nm/A,远小于连续和准连续的情况。 建立了垂直腔面发射激光器列阵的热传导模型,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中单元直径和间距,得出了列阵温升的趋势。为了降低温升减小列阵尺寸,增加功率密度,单元直径应小于150um,最佳值在50-100um。实验制作了4*4、5*5和8*8列阵并进行了测试,功率分别为580mW、1440mW和2100mW,对应功率密度分别为115W/cm~2、374W/cm~2和853W/cm~2。通过光谱的波长漂移计算出4A时的温升分别为120℃、58℃和38℃。理论模拟结果与实验数据符合的较好,可以对实验进行有效的指导。最后研制的口径为100um的8*8和10*30阵列,连续输出功率分别达到2.73W和5.26W。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TN248

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