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高功率低发散角垂直腔面发射激光器

张岩  
【摘要】: 垂直腔面发射激光器(VCSELs)是通过半导体材料外延生长构成谐振腔,激光在垂直表面方向出射的一种新型半导体激光器。得益于器件设计、外延技术和半导体工艺技术的发展,应用于光通讯、光互连、光存贮等领域的VCSELs器件有了很大的发展,输出功率不断提高,使VCSELs成为可以提供高功率输出的激光光源之一。VCSELs具有的圆形输出光斑,发散角小,易于整形和耦合,不易发生光学灾变损伤,可以二维集成等特点使它在高功率输出方面有许多独特的优势,已成为研究的热点。本文围绕高功率980nm VCSELs器件,开展了高功率低发散角VCSELs器件设计与制作研究。 VCSELs器件要实现激射必须具有高的光增益和高反射率,介绍了量子阱增益的计算方法,对InGaAs/GaAs量子阱的增益进行了计算,采用特征矩阵法计算了半导体DBR反射镜的反射率、吸收、高反射带宽及穿透深度,分析了降低半导体DBR反射镜中同型异质结电阻的方法,为外延生长高反射率低阻半导体DBR提供了理论指导。 理论推导了器件的限制因子,阈值电流,微分量子效率,电光转换效率及它们对输出功率的影响。分析了温度对VCSELs器件激射波长,阈值电流和输出功率的影响,为高功率VCSELs器件的设计提供了理论依据。 制定了一套可行的制作顶发射结构VCSELs器件的工艺。对高功率VCSELs制作的关键工艺进行了优化,完善了底发射VCSELs的制作工艺流程。采用脉冲阳极氧化工艺制作绝缘膜替代传统的SiO2膜来降低器件的阈值电流密度。 根据理论分析及对器件测试结果的分析对外延片结构和器件的结构进行了优化设计。使用具有更宽带隙的GaAsP代替传统的GaAs作为势垒,避免有源区温度升高而导致的阈值电流密度增加和效率下降等问题,保证高功率的输出。将N型DBR的反射率降低到99.3%来提高微分量子效率,同时优化工艺降低内部损耗,提高输出功率。增大了4×4列阵单元的间距以减小器件的热阻。制作出了底发射高功率VCSELs单管和4×4列阵器件,单管器件室温连续最高输出功率达到2.3W,4×4列阵室温连续最高输出功率达到1.81W,为国内领先水平。 计算了大孔径单管器件的电流密度分布,采用优化的P面电极结构实现了有源区中电流密度的均匀分布,制作的器件的远场发散角由30°减小到15°,优化后器件的功率略有提高。在4×4列阵中采用额外镀制金属层的方法将高阶横模过滤掉,改善了器件的远场分布,发散角由30°减小到10°左右。设计了非均匀排列的一维列阵结构,通过调整列阵中单元的大小和间距,实现了列阵器件近似高斯型的远场分布,远场发散角小于20°,器件具有良好的高温工作特性。 采用高温加速老化的方法推算出4×4列阵器件室温下的寿命可达5000小时。


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