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.     

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.     

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.     

大功率高可靠性垂直腔面发射激光器阵列研究

针对980nm激光波长设计了InGaAs/GaAsP材料多周期增益量子阱结构。垒层采用带隙更宽的GaAsP材料代替常规GaAs,改善了效率随温度升高而降低的问题,同时又能满足长寿命激光工作的需要。周期增益量子阱结构提高了有源区的单程增益,降低了阈值,提高了输出功率。制作出新结构的集成单元数为4×4,单元直径30μm的阵列器件,工作电流为5.88A时连续激光功率达到2W;窄脉冲宽度1μs,重复频率100Hz,工作电流60A时输出功率达到30W,且均未达到饱和状态。此阵列器件在工作电流为1～4A时发散角半宽均小于16°。利用加速老化方法对阵列器件的寿命进行了测试,推算出30℃的寿命可达5280h以上,并分析了影响大功率垂直腔面发射激光器(VCSEL)可靠性的主要因素。     

980nm垂直腔面发射激光器的外延生长

模拟了垂直腔面发射激光器(VCSEL)的反射谱和量子阱增益谱,采用金属有机物化学气相沉积设备外延生长了980 nm的垂直腔面发射激光器,制作了氧化孔径为14 μm的内腔式氧化限制型VCSEL器件,其阈值电流为3.3mA,阈值电压为1.8V,斜率效率为0.387 W/A,室温直流电流为22.8 mA时,输出光功率为5 mW.     

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。     

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。     

垂直腔面发射激光器氧化孔结构对器件激射性能的影响

为实现894.6 nm低阈值、高稳定性、单模激光输出,设计了具有不同台面刻蚀结构的垂直腔面发射激光器(VCSEL)器件,研究了台面直径和氧化孔结构对器件激射性能的影响。研究结果表明:VCSEL台面直径越大,阈值电流越大;氧化孔径越偏向圆形,边模抑制比越高。制备了氧化孔为圆形、直径为4.4μm的VCSEL器件,该器件在70～90℃工作温度及0.6 mA驱动电流下实现了894.6 nm单模激光输出,边模抑制比高于35 dB。     

实用化1730nm波段掩埋结构半导体激光器的研制

报道了应用于医疗器械的InP基1730nm波段半导体激光器.外延片采用低压金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)生长,有源区为5个周期的InGaAs量子阱层和InGaAsP垒层.器件采用pnpn结限制掩埋结构,有源区脊宽2μm、腔长300μm.室温下腔面镀膜后激光器管芯的阈值电流为18±5mA,8mW输出功率时的工作电流为60±5mA.采用TO封装后,100mA工作电流下激光器的输出功率大于5mW,输出波长为1732±10nm,高温恒流加速老化筛选实验表明,器件具有长期工作的可靠性,满足实用化要求.     

降低VCSELs激射阈值途径的理论研究

针对量子阱有源层的结构特点，考虑增益和载流子浓度呈对数关系，建立量子陆垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）的速率方程，导出了阈值电流密度的解析表达式，运用MATLAB软件中Simulink可视化仿真系统对理论计算进行模拟仿真，研究了降低VCSEL激射阈值的3个基本途径；有源层选用量子阱实现微腔结构，腔面采取多层介质反射膜提高光腔反射率R：改进外延生长技术在降低各种损耗。