电泵浦垂直外腔面发射激光器振荡特性的理论分析及实验研究

对具有InGaAs/GaAsP量子阱周期增益结构有源区的980 nm电泵浦垂直外腔面发射激光器(EP-VECSEL)的振荡特性进行了理论分析及实验研究.模拟并分析了耦合腔条件下EP-VECSEL的振荡特性与其分布布拉格反射镜(DBR)及外腔镜反射率之间的关系,并根据理论分析结果对器件结构进行了优化设计.在实验上制备出具有不同外腔镜反射率的EP-VECSEL器件,并对其连续波(CW)振荡特性进行了研究.实验结果表明,有源区直径为300 μm的EP-VECSEL器件在外腔镜反射率为90 %时阈值电流为1.2 A,注入电流为4 A时连续激光输出功率为270 mW; 在外腔镜反射率为95%时阈值电流为0.9 A,4 A下输出激光功率为150 mW.实验结果与理论分析结论符合较好,说明本文采用的理论分析方法能有效模拟及优化EP-VECSEL器件的振荡特性.     

高光束质量大功率垂直腔面发射激光

大功率垂直腔面发射激光器(VCSEL)在激光泵浦、激光测距、激光雷达等领域有广泛的应用前景,但目前的常规激光器材料结构尚未针对大功率激光输出进行优化设计。特别是为获得大功率激光输出所采用的大出光窗口导致的激光光束质量劣化成为限制其应用发展的核心问题之一。针对上述问题对激光器材料结构与器件结构进行了两方面的新结构设计和研制:(1)以实现大功率激光输出为目标,材料结构设计上对出光窗口一侧的N-DBR反射率进行了调整,以具有99.3%反射率的n-DBR替代常规结构中所采用的99.7%以上反射率。与常规材料结构相比,采用优化后的材料结构制备的直径500μm出光孔径的单管器件在注入电流110 A时激光输出功率达到102 W,而单元出光窗口直径100μm的5×5阵列在100 A电流下的激光输出功率为103 W,单元直径为140μm的8×8阵列在130 A注入电流下的激光输出功率达到115 W;(2)针对大出光窗口导致的光束质量劣化,通过湿法化学刻蚀研制了直接集成在出光窗口表面的微透镜结构,单元出光窗口直径为90μm的6×6阵列器件在4 A注入电流下的激光光束发散角压缩到6.6°,与未集成微透镜时的14.8°相比有了大幅改善。实验结果表明:降低n-DBR反射率及集成微透镜结构有效地改善提高了大功率垂直腔面发射激光的输出功率和激光光束质量。     

高功率窄脉冲垂直腔面发射激光器n-DBR反射率的优化

从理论上研究了n型分布布拉格反射镜(n-DBR)的反射率对器件阈值电流、输出功率以及转换效率的影响,得出了最佳反射率。在此基础上研制了垂直腔面反射激光器(VCSEL)单管和阵列器件,采用波形分析法对VCSEL器件的功率进行了测试。在脉冲宽度60ns,重复频率100Hz条件下,500μm口径单管器件在注入电流为110A时,峰值输出功率达102W,功率密度为52kW/cm2,4×4、5×5阵列器件在100A时,功率分别达到98W和103W。对比了单管器件在连续、准连续和脉冲工作条件下的输出特性和光谱特性,连续和准连续条件下激射波长的红移速率分别为0.92nm/A和0.3nm/A,6A时的内部温升分别为85℃和18℃,而脉冲条件下激射波长的红移速率仅为0.0167nm/A,6A时的温升为1.5℃,远小于连续和准连续的情况,这也是器件在脉冲条件下能得到很高输出功率的主要原因。     

微透镜集成大功率垂直腔面发射激光器

为了改善大功率垂直腔面发射激光器(VCSEL)的模式特性,在GaAs衬底上采用限制扩散湿法刻蚀技术制作出了不同曲率半径的微透镜,与P型和N型分布式布拉格反射镜(DBR)构成复合腔结构,可以对腔内模式进行选择.有源区采用新型的发射波长为980 nm的InGaAs/GaAs应变量子阱,包括9对In0.2Ga0.8As(6 nm)/Ga0.18As.82P(8 nm)量子阱,有源区直径100μm,微透镜直径300 μm,曲率半径959.81μm,表面粗糙度13 nm.室温下,器件连续输出功率大于180 mW,阈值电流200 mA,远场发散角半角宽度分别为7.8°和8.4°,并且与没有微透镜的垂直腔而发射激光器输出特性进行了比较.     

980nm大功率垂直腔面发射激光器温度和远场分布特性

采用发射波长为980 nm的InGaAs/GaAs应变量子阱,在垂直腔面发射结构中共设计生长3组、每组3个量子阱,形成9个量子阱的周期性增益结构,并使每组均位于腔场极大处,以获得最好的增益匹配.为提高激光器的输出功率及获得较好的光束质量,采用大台面直径和由衬底面出射激光的结构.每个单元器件的P面台面直径为400～600 μm,经湿氮气氛下40 min的侧氧化后在有源区形成直径300～500 μm的电流限制孔.而N面出光孔的直径仍为相应的400～600 μm.在室温连续工作下器件的最大输出功率达到1.4 W.随着注入电流的增大,观察到激光远场分布从空心圆环向中心单亮斑转化的过程.对不同温度下的激光输出特性进行了变温测试,结果表明通过DBR和有源区结构设计上较好的匹配,实现了室温下最低的激射阈值电流.     

氧化限制结构940 nm垂直腔面发射激光器

为研究氧化限制结构孔径对940 nm垂直腔面发射激光器（VCSEL）特性的影响，制备了不同氧化孔径的940 nm VCSEL，并进行了测试分析。通过PICS3D软件对不同量子阱势垒材料的增益进行仿真计算，选取具有较高有源区材料增益的InGaAs/AlGaAs作为量子阱，并开展了增益-腔模失配设计。在设计优化的基础上，制备了6种氧化孔径的940 nm VCSEL，对其光电输出特性进行测试。结果表明：氧化孔径为4μm的VCSEL，室温下斜率效率为0.93 W/A，最大功率转换效率为40.1%；氧化孔径为7μm的VCSEL，室温下最大输出功率为12.24 mW；氧化孔径为2μm的VCSEL，室温下最大基横模功率为2.67 mW。该器件在2 mA连续驱动电流下，在10～80℃的范围内均可实现边模抑制比大于45 dB的基横模输出。     

利用传输矩阵法分析取样光栅DBR半导体激光器

取样光栅DBR(SGDBR)激光器是目前光通讯中最有应用前景的可调谐激光器之一。利用传输矩阵法模拟了取样光栅DBR半导体激光器的光谱特性。计算中,把取样光栅DBR半导体激光器的增益区、位相区和取样光栅DBR看成基本单元。而每一个基本单元都可以看作一个普通的双端口器件。其传输特性用一个2×2复矩阵表示。在阈值以下,对于有源区和取样光栅DBR的不同注入电流,发射光谱显示不同的输出特征。当有源区的注入电流为9.5 mA时,主模开始在1.553μm附近形成。当取样光栅DBR有注入电流时,主模形成的位置发生了变化,表现出可调谐的性质。同时,明显出现主模的有源区的注入电流发生变化。这种方法也反映了激光器的阈值条件。阈值电流为10 mA。     

一种新型环形上DBR刻蚀微结构VCSEL及其空心光束（英文）

设计了带有质子注入高阻区的刻蚀微结构面发射半导体激光器结构,使得从出光口到上DBR形成环形波导,进而直接产生空心激光束输出。使用FDTD软件计算了刻蚀微结构VCSEL的光场分布,得到的环形模式图样在不同模式数目下都能保持空心光束的特性。制备了室温下激射波长为848 nm的微结构VCSEL,并测试其输出特性。阈值电流为0.27 A,峰值功率最高可达170 mW。不同电流下的近场图都显示出非常明显的空心环形光斑,远场光强分布曲线也符合空心光束的特性。该新型VCSEL技术为空心光束甚至阵列器件的发展提供了一种新的方法。     

增益-腔模失配型高温工作垂直腔面发射半导体激光器

理论分析了温度对垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)工作性能的影响,利用VCSEL的增益-腔模失配理论设计了适用于高温环境下工作的VCSEL外延结构并对该结构进行了外延生长及工艺制备。理论分析表明,采用势垒高度大于0.25eV的量子阱有源区结构可以缓解高温工作时器件的载流子泄漏问题。设计了室温下增益-腔模偏离为11nm的器件结构。理论分析表明,在320K时与器件腔模对应的增益谱波长具有最大的光增益,此时器件具有最小的阈值电流。对分布式布拉格反射镜(DBR)的反射率进行了优化以进一步减小器件阈值电流。采用了一种自平坦化的台面工艺结构制作了7、9、13μm三种不同氧化口径的器件,器件在室温下的阈值电流分别为1.95、2.53、2.9mA,最大出光功率分别为0.31、1.11、1.04mW,并且输出功率的高温稳定性较好。随工作温度的升高,器件阈值电流先减小后变大,在320～330K时器件阈值达到最小值,与理论分析一致。     

新型垂直腔面发射激光器的研制北大核心CSCD

热问题是制约垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)的关键难题之一。为改善垂直腔面发射激光器的热特性,提高输出功率,设计并制备了一种新型内腔接触式结构VCSEL。在出光孔径为16μm时,同时制备传统结构和新型结构两种器件并对其进行测试,传统结构VCSEL的阈值电流为11.5 mA,当注入电流为34 mA时,最大输出功率达到7.3 mW;新结构器件的阈值电流为9 mA,当注入电流为35 mA时,最大输出功率达到10.2 mW;新结构的阈值电流降低了21.7%,最大输出功率提高了28%。结果表明,这种内腔接触式电极结构有望改善器件的热特性和光电性能。