新型结构垂直腔面发射激光器的研制

为改善垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)的热特性.提高其光电性能,研制了新型辐射桥结构的VCSEL,即采用辐射桥状的电流注入通道取代以往传统结构VCSEL的环形电流注入通道.研究表明辐射桥结构可以降低VCSEL器件的体电阻和热阻,改善器件的模式特性.在同一外延片上,采用相同的工艺制备了辐射桥结构与传统结构两种VCSEL器件,并对两种器件的光电性能进行了对比测试.结果表明,辐射桥结构VCSEL比传统结构的VCSEL微分电阻降低25%,输出功率提高到1.6倍;辐射桥结构的VCSEL具有良好的温度特性与模式特性,80℃时仍能正常激射,60℃时最大输出功率可达17 mW,器件的热阻可达1.95℃/mW;器件单模工作,其总体性能远优于传统结构的VCSEL器件.     

垂直腔面发射激光器制作新工艺

采用一种新工艺制作了垂直腔面发射激光器(VCSEL),即用开环分布孔取代以往的环形沟道作为氧化物限制技术的注入窗口。因开环分布孔间形成多个桥,为电注入提供了天然的桥状通道,解决了电极过沟断线问题。这种新结构器件的输出功率约为以往结构器件的1.34倍。在20℃~80℃范围内,对器件的输出功率、阈值电流及波长漂移性进行了研究。60℃时最大输出光功率可达到6 mW。激射波长随温度升高呈线性变化,且向长波方向移动,速率为0.06 nm/℃。由实验结果计算出器件的热阻为1.96℃/mW。     

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。     

新型垂直腔面发射激光器的研制

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。     

808nm网状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激光器（VCSEL）电流注入均匀性,提高光束输出质量和器件的输出功率,设计并研制出808nm高功率网状电极VCSEL。将VCSELP面的注入电极由传统的环形结构改为网状结构并且热沉位于N面电极。实验制备了出光孔径同为500um的传统环形电板和网状电极两种高功率VCSEL,并对器件的性能进行了对比测试。测试结果表明,网状电极结构高功率VCSEL相对传统环形电极结构高功率VCSEL器件具有良好的光电特性,室温下新结构高功率VCSEL的阈值电流为430mA,斜率效率为0．44mW／mA,电光转换效率可达21．7％,最大输出功率可达420mW,是传统结构高功率VCSEL输出功率的2．27倍。     

高功率980nm垂直腔面发射激光器的温度特性

应变补偿量子阱结构因带宽大、增益高和波长漂移速度低等特点而成为近年来研究的热点.首次介绍了国内980 nm 高功率InGaAs/GaAsP应变补偿量子阱结构的垂直腔面发射激光器(VCSEL) 变温实验,测得脉冲条件下600 μm直径的器件在10-100℃温度范围内发射波长漂移速度为0.05 nm/K,阈值电流随温度变化呈现先缓慢下降后迅速上升的特性.结合VCSEL反射谱、PL谱和增益峰值波长漂移速度,对器件阈值电流特性进行了合理的分析和解释.连续工作状态下,测试得到器件峰值功率为1 W,根据波长与耗散功率的实验曲线及热阻计算公式,可估算出垂直腔面发射激光器热阻值为10 K/W.     

基于AlN膜钝化层的高功率垂直腔面发射激光器

高功率垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)内部的自生热是影响器件功能的重要因素,为改善器件的散热性能,采用AlN膜做钝化层研制了基于AlN膜钝化层的980 nm高功率VCSEL器件。对高功率VCSEL进行模拟仿真与理论分析表明,采用AlN膜钝化层可以改善器件内部的温度分布,降低器件的热阻,提高器件的散热能力;采用相同的外延片与工艺实验制备了出光孔径同为200μm的AlN膜钝化层和传统的SiO2膜钝化层的高功率VCSEL器件;对两种不同的钝化层的器件性能进行了实验对比测试,结果表明AlN膜钝化层的高功率VCSEL器件室温下的最大输出功率可达470 mW,比同温度下SiO2膜钝化层的高功率VCSEL器件的最大输出功率高140 mW。AlN膜钝化层的高功率VCSEL在外界温度80℃时,仍能正常激射,具有良好的温度适应性与光电性能。     

850nm氧化物限制型VCSEL的温度特性

采用热封闭系统对850nm氧化物限制型VCSEL的温度特性进行了研究.实验证实该器件在80℃仍能正常工作,在20～80℃的温度区间内,器件的斜率效率由0.3mW/mA降到0.2mW/mA.根据阈值电流的温度依赖性得出T0=350K,器件的基模红移为0.11nm/mW,实验确定其热阻为2.02℃/mW.     

850nm氧化物限制型VCSEL的温度特性

采用热封闭系统对850nm氧化物限制型VCSEL的温度特性进行了研究．实验证实该器件在80℃仍能正常工作,在20～80℃的温度区间内,器件的斜率效率由0.3mW/mA降到0.2mW/mA．根据阈值电流的温度依赖性得出T0=350K,器件的基模红移为0.11nm/mW,实验确定其热阻为2.02℃/mW．     

高功率1 550 nm多结VCSEL的设计与仿真

在激光雷达应用场景下,高功率垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser,VCSEL)越来越受到关注。而在长波波段,1 550 nm器件一直存在输出功率不够理想,功率转化效率低等问题。目前,多结VCSEL是获得高功率、高功率转换效率 (power con- version efficiency,PCE) 、高光功率密度、高斜率效率 (slope efficiency,SE) 的关键技术。本文将1 550 nm VCSEL与多结技术结合,旨在设计出高功率的1 550 nm器件,最终成功设计并仿真了不同直径 (15 μm、20 μm、30 μm、50 μm、100 μm) 多结 (1—4结) 1 550 nm的VCSEL器件。通过对比不同参数器 件的输出功率,发现器件的输出功率随结数和直径的增加而增大,最大功率能达到2 217 mW(4结100 μm VCSEL)。并且仿真结果表明30 μm VCSEL的输出特性相对较好:单结结构的SE优于50 μm和 100 μm器件,为0.39 W/A;在多结结构中,30 μm优于15 μm和20 μm的器件,分别为0.89 W/A (2结)、1.55 W/A (3结)、1.79 W/A (4结)。最后研究分析了30 μm VCSEL PCE和远场分布,发现SE随结数增加而显著增加,最高为3结的40.4%,驱动电流只有1 A,这是单结PCE的6.2倍;3结的输出功率也高达 1 549 mW,而光束发散角单多结器件之间几乎没有差别,约为5°。以上结果为 1 550 nm VCSEL作为激光雷达系统和3D传感的光源应用提供了很好的器件研究基础。     

Long wavelength-tunable VCSELs with optimized MEMS bridge tuning structure

In this letter, we present the first demonstration of a long wavelength-tunable vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) using a monolithically integrated bridge tuning microelectromechanical system structure. The use of such a tuning structure allows for better wavelength tuning repeatability and wider tuning range as compared to cantilever-based tunable VCSELs. The devices show tuning ranges over 22 nm with peak output power of 1.3 mW in continuous-wave operation at 15/spl deg/C. The bridge structure has a mechanical resonant frequency of 80 kHz. The transmission test through 300-km single-mode fiber (SMF-28) using the tunable VCSEL under mechanical vibration below 10 KHz and 10-G acceleration shows little bit-error-rate degradation.     

795nm单模垂直腔面发射激光器

针对铷原予能级跃迁对光谱的特殊需求,设计并制备了795 nm单模垂直腔面发射激光器(VCSEL).根据对VCSEL的光场和模式的分析和计算结果,设计了单模VCSEL芯片结构.采用MOCVD技术生长了外延结构,制备了不同有源区直径的氧化限制型VCSEL芯片并进行了测试.当有源区直径从6 μm减小到3μm时,VCSEL芯片的边模抑制比(SMSR)由8.76 dB增加到34.05 dB,阈值电流由0.77 mA减小到0.35 mA.有源区直径为6,5,4和3μm的VCSEL芯片的输出功率分别为0.37,0.46,0.58和0.44 mW,有源区直径为4μm的VCSEL芯片的远场为圆形光束,发散角为15°.85℃时3.5 μm有源区直径的VCSEL芯片输出功率为0.125 mW,激射波长为795.3 nm.室温3 dB带宽大于8 GHz,满足了铷原子传感器对VCSEL单模光谱、输出功率及调制速率的要求.     

Low power 13 Gbit/s VCSEL current driver in 0.18 μm CMOS for optical interconnection

A design of 13 Gbit/s vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) driver using 0.18 μm complementary metal oxide semiconductor (CMOS) technology is presented in this paper. The core unit of the driver consists of pre-amplify stage and output stage circuit. Techniques of three stages differential amplifier with low impedance load and active feedback are employed in pre-amplify stage, and technique of C3A is adopted in output stage to acquire low power consumption and high speed. The experimental results show that the circuit can work at the data rate of 10 Gbit/s and maximum of 13.2 Gbit/s. The output modulation current is up to 12.5 mA and the power dissipation is only 68 mW with a 1.8 V power supply.     

910 nm高峰值功率垂直腔面发射激光光源

报道了910 nm高峰值功率垂直腔面发射半导体激光器列阵(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)的设计方法及测试结果.所制备的910 nm VCSEL列阵在准连续工作时激光功率达到2 W;在重复频率10 kHz,脉冲宽度30 ns,工作电流60 A的电脉冲驱动条件下,VCSEL列阵峰值输出功率达到25.5 W.随着工作电流的增加,VCSEL列阵输出的激光光谱呈现明显办展宽现象,证实VCSEL列阵即使在窄脉冲工作时大的电流驱动仍然会产生严重的内部热效应;VCSEL列阵输出激光的光脉冲波形在驱动电流增大至60 A时脉宽仅展宽了6 ns左右,证实VCSEL阵列具有非常优越的脉冲响应特性.对VCSEL列阵进行光束准直处理后,在1 m距离处得到了近圆形的均匀光斑.我们相信这种高功率的910 nm面阵光源在未来汽车光探测测距(LiDAR)等智能驾驶领域具有很大的应用潜力.     

微小孔阵列垂直腔面发射激光器的研究

在980nm波长的大功率垂直腔面发射激光器(VCSEL)的基础上制备了高输出功率的微小孔阵列半导体激光器,其最大输出光功率达到了1mW。介绍了针对微小孔阵垂直腔面发射激光器的特殊制备工艺,并对其特性进行了分析。     

掺镱硼酸盐和磷酸盐激光玻璃的研究

制备了掺Yb∶硼酸盐和Yb∶磷酸盐玻璃 ,并研究了它们的玻璃物理性质和光谱性质。掺Yb∶磷酸盐玻璃的热机械性质优于掺Yb∶硼酸盐玻璃。掺Yb∶硼酸盐玻璃的受激发射截面和荧光寿命分别为 0 5 3× 10 -2 0 cm2 和 0 85ms。掺Yb∶磷酸盐玻璃的受激发射截面和荧光寿命分别为 0 4 5× 10 -2 0 cm2 和 1 8ms。作为激光材料 ,掺Yb∶磷酸盐玻璃的综合性能优于掺Yb∶硼酸盐玻璃。用钛宝石激光器抽运Yb∶硼酸盐玻璃实现 8mW准连续激光输出。用波长为 976nm ,6W的LD抽运Yb∶磷酸盐玻璃获得了 6 2mW的连续激光输出 ,其斜率效率为 4 4 %。     

160/spl deg/C pulsed laser operation of AlGaInP-based vertical-cavity surface-emitting lasers

Pulsed lasing operation of a 670 nm AlGaInP-based oxide-confined vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) at high temperatures is demonstrated. At +120/spl deg/C heatsink temperature output power exceeded 0.5 mW and at +160/spl deg/C 25 /spl mu/W output power was achieved     

新型正方晶格基横模光子晶体面发射激光器

高功率基横模垂直腔面发射激光器（VCSEL）在光通信、传感、原子频标和光电混合集成等领域有着重要的应用,将光子晶体结构引入到VCSEL中,通过设计结构尺寸和分布,可以有效控制VCSEL的横向模式。课题组将正方形排列的光子晶体结构引入到VCSEL中,实现对VCSEL的横向模式和基横模出光功率控制,获得高基横模出光功率器件。通过采用平面波展开法（PWE）和全矢量三维时域有限差分方法（FDTD）对正方晶格结构光子晶体的合理设计,获得正方形排布光子晶体周期、占空比和刻蚀深度等重要参数。成功地制备出基横模出光功率大于3 mW,边模抑制比大于40 dB的正方晶格光子晶体VCSEL。