表面发射半导体激光器的进展

平行光电子技术急需二维半导体激光器列阵作为光源。采用表面发射半导体激光器,可制作单片集成的二维列阵。垂直腔表面发射激光器,因其可自由排列和密集封装而特别引人注目。本文评述表面发射半导体激光器及其单片集成的二维列阵的进展。     

VCSEL技术及其在光互连中的应用

垂直腔表面发射激光器（VCSELs）是并行光互连、高速光交换系统中最合适的光源。它具有易耦合、易封装和测试的优点。由于其独特的性能，可以较为方便地制作二维激光器阵列。基于VCSEL阵列的光电混合集成及并行光互连是当前的研究热点。本文介绍了VCSEL基本结构及设计中的关键技术，并对VCSEL在光互连中的应用进行了研究。     

光子晶体垂直腔面发射激光器的研究进展

单模垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有低功耗、小发散角、高调制带宽和易于二维集成等优点,在光互连、光存储、高速激光打印和长波通讯等方向有着很好的应用前景。调节VCSEL顶部和底部反射层的结构可以很容易地实现单纵模条件,然而要实现横向单模输出,就要同时对出射光加以横向限制。在VCSEL的顶部反射层刻蚀出二维光子晶体结构构成的光子晶体VCSEL实现了稳定的单横模激光输出。介绍了光子晶体VCSEL的基本结构、工作原理、研究进展和应用领域,并探讨了如何使光子晶体VCSEL获得更高的出光功率、控制激光偏振特性和减小发散角等问题。最后评述了光子晶体VCSEL的国内研究现状,并对未来的研究做了展望。     

基于SiP技术的VCSEL阵列微系统封装

针对半实物仿真系统的需求,基于系统级封装技术提出了一款由垂直腔面发射激光器(VCSEL)激光器阵列、激光器驱动芯片、电源芯片等组成的微系统,并介绍了基于微机电系统微纳加工技术的VCSEL激光器阵列的制造工艺流程.该激光器的封装方法具有集成度高、可靠性高等特点,相比于其他驱动及封装方法大大提高了驱动效率和空间利用率,因此在光学成像、通信、互联等领域具有广泛应用前景,为实现半实物仿真中激光成像发生器奠定了基础.     

基于SiP技术的VCSEL阵列微系统封装

针对半实物仿真系统的需求,基于系统级封装技术提出了一款由垂直腔面发射激光器(VCSEL)激光器阵列、激光器驱动芯片、电源芯片等组成的微系统,并介绍了基于微机电系统微纳加工技术的VCSEL激光器阵列的制造工艺流程.该激光器的封装方法具有集成度高、可靠性高等特点,相比于其他驱动及封装方法大大提高了驱动效率和空间利用率,因此在光学成像、通信、互联等领域具有广泛应用前景,为实现半实物仿真中激光成像发生器奠定了基础.     

VCSEL的发展现状和市场应用

近年来由于高速光网络的快速发展，使人们对一种新型的半导体激光器——垂直腔面发射激光器(VCSEL)给予了更多的关注，已成为研究开发的热点。本介绍了VCSEL的发展进程、基本结构及较之于侧面发射激光器(包括与LED作比较)的优势，以及近期出现的新技术和封装手段，详细叙述了各波段VCSEL所用的材料、技术、市场应用。最后简述了VCSEL基光收发机的市场状况。     

840 nm VCSEL阵列湿法氧化研究

湿法氧化工艺已经成为制备垂直腔面发射激光器(VCSEL)及其阵列的关键技术,为提高器件的散热性能,对单元器件采用环行分布孔的氧化窗口,优化设计了分布孔的数目与间距.同时从瞬态热传导方程对构成激光器阵列单元器件的热相互作用进行了理论的分析.采用湿法氧化工艺制备了840 nm、3×3二维VCSEL阵列,对阵列器件的光电特性、光谱及近场等进行了测量,证明器件性能良好.     

微结构垂直腔面发射激光器的设计

具有高功率、单横模工作特性的垂直腔激光器(VCSEL)将会极大地扩展VCSEL激光器的应用领域,具备此性能的VCSEL激光器除了能增强它在短距离通信及光存储网络的应用之外,还将成为长距离光通信以及光传感系统里重要的器件.然而对于传统的VCSEL激光器,高功率和单横模工作特性很难同时获得,这是因为高功率输出通常将会增大输出孔径,大的输出孔径则会带来多横模振荡.文中通过在P-DBR层中引入纳米微结构,设计了一种能同时提供高功率、单横模输出的VCSEL激光器.这种新型的VCSEL激光器通过采用光子带隙的波导结构,使得设计的激光器在大输出孔径(直径达12 μm)时仍然保持单横模工作.     

垂直腔表面发射激光器及阵列发展水平与应用市场

垂直腔表面发射激光器（VCSEL）是光通信中革命性光发射器件，其优异性能受到广泛关注，已成为研究开发的热点。VCSEL及阵列已有很大发展，并获得较广泛的应用。VCSEL及阵列作为一种很有发展前景的新型量子阱激光器，将有强大的生命力和更为广阔的应用市场。     

氧气传感760 nm垂直腔面发射半导体激光器

在国内首次报道了氧气传感专用760 nm单模、波长可调谐的垂直腔面发射激光器 （Vertical Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL）,详细报道了760 nm VCSEL设计方法与器件制备结果。通过分析AlGaAs量子阱的增益特性,确定了量子阱组分及厚度参数,并设计了室温下增益峰与腔模失配为10 nm的VCSEL激光器结构,完成了VCSEL结构的器件制备。VCSEL激光器在工作温度25 °C时单模功率超过2 mW ,此时边模抑制比为28.1 dB,发散角全角为18.6°。随着工作电流增加,VCSEL激光器的发散角随之增加,然而激光远场光斑仍然为高斯形貌的圆形对称光斑。通过调节VCSEL激光器的工作温度与工作电流,实现了VCSEL单模激光波长从758.740 nm至764.200 nm的近线性连续调谐,VCSEL工作在15 ~ 35 °C时激光波长的电流调谐系数由1.120 nm/mA变至1.192 nm/mA; 温度调谐系数由0.072 nm/°C变至0.077 nm/°C。在两个氧气特征吸收波长附近,VCSEL激光的边模抑制比分别达到了32.6 dB与30.4 dB。     

980 nm高峰值功率微型化VCSEL脉冲激光光源

报道了输出波长980 nm的高峰值功率垂直腔面发射激光器(VCSEL)及其微型化脉冲激光光源.通过优化VCSEL单元器件的结构,有效抑制了宽面VCSEL结构中的非均匀电流分布,提高了单元器件的斜率效率,获得了直径400μm,峰值输出功率62 W的VCSEL单元器件;在此基础上,研制出由单元器件组合封装而成的VCSEL"准列阵"子模块以及集成驱动电路的微型化VCSEL脉冲激光光源,该光源在脉冲驱动条件为30 ns、2 k Hz、105 A条件下的峰值输出功率达到226 W,光脉冲宽度35 ns,中心波长979.4nm,斜率效率达到2.15 W/A.     

基于VCSEL的光发射模块的研究与设计

概述了近年来发展迅速的以垂直腔面发射激光器(VCSEL)作为发光器件的发射模块的结构，以及半导体激光器的特性。在了解了半导体激光器驱动电路的基本功能和设计要求后，重点介绍采用美国MAXIM公司生产的VCSEL驱动器MAX3740来设计基于VCSEL的光发射模块。     

高功率垂直腔面发射激光器

垂直腔面发射激光器(VCSEL)技术在20世纪90年代走向成熟并开始工业化生产,数据通信是VCSEL的第1个规模化产品应用市场.2001年对于VCSEL而言是一个转折点,这一年数据通信由高峰走入低谷,但VCSEL的生产厂家和用户却从VCSEL的优异性能中看到了其在非数据通信领域应用的光明前景.在工业应用方面,VCSEL作为激光光源现已广泛应用于气体传感器中,通过测量气体对激光的吸收光谱可以确定某种气体(O2等)的浓度.在最为人们所看好的人机界面领域,VCSEL以价格低廉、易于批量生产和性能优异的特点打入了鼠标市场,以VCSEL制成的激光鼠标已经成为主流产品,年产量巨大.现在摆在VCSEL面前的还有一个发展前景广阔的领域:高功率脉冲激光器应用市场.要想进入这一市场,VCSEL必须具备2个方面的优势:低成本和高性能.本文主要讨论了VCSEL在高功率脉冲激光器方面的应用,内容包括VCSEL的制造技术、装配解决方案、产品的性能和可靠性,另外还介绍了VCSEL瞄准的市场目标及其发展潜力.     

高功率VCSEL激光器光束发散角的测量方法

垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,简称VCSEL)由于其能发射出垂直于腔面光束的特性使得多个VCSEL激光器可以在同一片芯片上紧密集成,而不需要大量的空间;且VCSEL激光器使用共振腔的反射镜来增强光并放大,从而实现高效的光发射;通常情况下,VCSEL激光器的发光效率可以达到40至60之间,与传统的激光器相比,VCSEL激光器更容易实现高效率。由于VCSEL激光器的可集成性好、效率高等特点,使其广泛应用于3D感知、自动驾驶、光通信等领域。因此,VCSEL激光器的质量检测工作也显得越来越重要。随着VCSEL激光器进军高功率领域,其发光束的模式也经历了从基模变为高阶模的过程,光束已经从类高斯光束变为了类拉盖尔-高斯空心圆环光束。虽然传统的1/e2、D86等算法在测量基模下的类高斯光束的发散角较为精确,但对于高阶模式下的类拉盖尔-高斯空心圆环光束,这些方法则出现了明显的误差。考虑到VCSEL激光器在自动驾驶等重要领域的广泛应用,其光束精确度的要求也随之提高。因此,本文采用了D4σ算法,针对类拉盖尔-高斯空心圆环光束进行发散角测量,与1/e2、D86等传统算法进行了比较。结果显示,新方法在发散角测量准确度上最高提升了230。     

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.     

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。     

用于气体浓度检测的VCSELs温度控制电路设计

在利用可调谐半导体激光器吸收光谱（TDLAS）技术对气体浓度进行检测时,检测系统对激光器的温度稳定性要求较高。提出了一种基于max1978的VCSEL激光器自动温度控制（ATC）方案,建立了热电制冷器（TEC）的数学模型,对TEC的热惯性进行了测试,以热惯性测试结果为基础对比例积分微分控制（PID）电路参数进行了整定,设计出了具有较高控制性能的温度控制电路。电路采用闭环负反馈自动控制方案,采用PID电路产生控制信号,驱动TEC,实现了对VCSEL激光器工作温度的有效控制。实验测试结果表明,电路的温度控制精度达到+0.03℃,较好地实现了激光器工作温度稳定性的控制。     

浅面浮雕矩形台面垂直腔面发射半导体激光器

为实现垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)大功率窄线宽输出,设计了浅面浮雕矩形台面结构的垂直腔面发射激光器(SR VCSEL)。电流密度分布会影响模式的分布,模拟结果表明,矩形台面VCSEL相比于圆形台面VCSEL,在有源区面积增大的情况下,电流密度分布不变。在矩形台面VCSEL出光孔表面刻蚀浅面浮雕后,高阶模式比基模的阈值增益的变化大,基模对高阶模式的抑制增强。理论结果表明,矩形浅面浮雕结构的VCSEL能够实现对高阶模式的抑制,测试结果得到连续输出为5.87mW,光谱宽度为0.1nm,功率偏振度为10,横向模式抑制比超过30dB的窄线宽输出。     

隧道再生结构的垂直腔面发射激光器激射特性研究

对隧道再生多有源区内腔接触式垂直腔面发射激光器(VCSEL)材料特性进行了实验研究,得到了VCSEL外延片量子阱增益谱峰值波长、谐振腔谐振波长、DBR反射谱中心波长及材料的生长厚度偏差等重要信息。如果谐振腔谐振波长比增益谱峰值波长长20nm以上,阈值条件很难得到满足,器件很难实现激射。符合模拟参数生长的双有源区隧道再生VCSEL实现了室温激射。氧化孔径8.3μm器件,在11mA注入电流下,获得5mW的输出功率,斜率效率0.702mW/mA,激射波长970nm。     

金刚石复合热沉面发射激光器面阵热特性研究

通过设计基于金刚石微槽结构的复合热沉,利用不同材料的热导率差异改变热流传导方向,以优化垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)面阵由于温度分布不均匀导致的中心热量堆积的问题,从而改善激光器面阵整体的输出功率,提高可靠性。基于有限元分析法建立三维热电耦合模型,研究了VCSEL面阵单元排布方式对激光器热串扰效应的影响,同时还研究分析了金刚石复合热沉中微槽形状和位置的变化对半导体激光器内部温度的影响,设计最优结构对激光器的出光性能做进一步优化。采用金刚石复合热沉后的垂直腔面发射激光器面阵,与传统金刚石热沉的封装结构相比,激光器发光单元的温度差值降低了29%,为大面积半导体激光器面阵的输出功率优化提供了新思路。