论文部分内容阅读
垂直腔面发射激光器(VCSEL)由于具有独特的谐振腔结构,使其与半导体边发射激光器(EEL)相比有很多优点,例如圆形对称光斑、单纵模工作及便于二维集成。电泵浦垂直外腔面发射激光器(EP-VECSEL)在保留VCSEL优点的基础上,通过引入外腔结构对光束质量进行控制,使其能够输出近衍射极限光束。因此EP-VECSEL很好的解决了VCSEL光束质量差的问题,能够同时实现高功率及高光束质量输出。输出波长为980nm的EP-VECSEL在泵浦掺Yb固体激光器及光纤激光器方面有很好的应用前景。同时,还能够通过980nm EP-VECSEL的外腔结构进行腔内倍频,使输出波长扩展到可见光波段,使其能够应用于生物医学研究及激光显示方面。本文主要对输出波长为980nm的EP-VECSEL进行了器件结构设计及制备工艺方面的研究。
首先对980nm EP—VECSEL的谐振腔结构进行了优化设计。介绍了模式选择FP谐振腔与普通FP谐振腔的区别,对EP-VECSEL的三镜面谐振腔中光场的变化过程进行了分析。找出了与器件输出特性最为相关的谐振腔参数:DBR反射率、外腔镜反射率、外腔腔长及外腔镜参数。通过理论计算分析了980nmEP-VECSEL的N-DBR反射率及外腔镜反射率对阈值电流及输出功率的影响,得出如下结论:器件的有源区直径为300μm同时N-DBR反射率为87％时,能够在保持较低阈值电流的前提下确保芯片本身谐振腔与外腔之间的充分耦合。研究了外部光反馈对980nm VCSEL振荡特性的影响,在实验上证实了EP-VECSEL谐振腔结构设计中采用复合腔理论的准确性。
在谐振腔结构设计的基础上,对980nm EP-VECSEL半导体器件部分进行了优化。设计了低阻DBR反射镜结构,得出需要12对N-DBR以达到需要的反射率；采用三维有限元方法建模分析了EP-VECSEL有源区电流分布与电流注入结构的关系,分析得出合理调节P面电极直径能够使有源区电流分布均匀。将建模分析的结论应用于980nm VCSEL的设计及研制中,实验结果表明:调节P面电极尺寸之后,器件远场分布中的环形光斑被抑制,发散角明显降低。采用热一电耦合方法分析了陶瓷热沉及金刚石热沉对EP-VECSEL芯片温度分布的影响,结果表明采用陶瓷热沉的芯片最高温升达到264.14℃,而换为金刚石热沉后,芯片的最高温升下降至226.27℃;同时,初步模拟了EP-VECSEL列阵的温度分布。
对EP—VECSEL制备工艺中的湿法刻蚀及选择性氧化工艺条件进行了改进,研制出具有单片集成结构的980nm EP-VECSEL器件。器件在注入电流为5A时连续输出功率为280mW,输出波长在980nm～990nm范围内,在注入电流从0A增加至5A时呈现单纵模及多纵模两种交替出现的工作状态。同时,利用与EP-VECSEL结构设计类似的方法,对980nm VCSEL列阵的单元结构进行了优化。在单元结构优化后,研制出8×8及10×30 VCSEL列阵,测试结果表明8×8VCSEL列阵的连续输出功率达到2.73W,脉冲输出功率达到115W:10×30 VCSEL列阵的连续输出功率达到5.26W。