大功率垂直腔面发射激光器的结构设计与研制

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与传统的边发射半导体激光器相比,垂直腔面发射激光器具有光束质量好、阈值电流低、单纵模工作、易于二维列阵集成和制造成本低廉等优点,引起了人们的广泛关注。近年来,由于其在固体激光泵浦、医疗、光通讯等领域的巨大应用市场极大地推动了VCSEL器件的研究和发展。面对各种不同的应用,人们制作了不同波段的VCSEL器件,为了泵浦掺铒光纤激光器,研制了高功率980nm器件,而发射波长为1060nm的大功率激光器在医学、工业、军事上具有广泛的应用,另外,采用腔内倍频的方法还可以输出532nm的绿光,市场上的绿光激光器主要是采用这种方法获得。现阶段1060nm VCSEL器件的研究主要集中在光互连等小功率器件。本文主要对大功率1060nmVCSEL器件进行设计,并在此基础上对980nmVCSEL的单管和列阵结构进行优化。首先对1060nmVCSEL器件的有源区和上下DBR进行了理论计算和结构设计。采用张应变的GaAsP材料作为垒层,以降低InGaAs量子阱有源区的平均应变。计算了量子阱的带隙、带阶、量子化子能级等,对比了不同In组分、阱数和阱宽的VCSEL器件性能,最终确定的器件的有源区为3个In0.28Ga0.72As/GaAs0.8P0.2量子阱,阱层厚度为9nm,垒层厚度为15nm。对比了GaAs、Al0.15Ga0.85As和GaAs0.8P0.2三种材料作为垒层时的温度特性,发现随着温度的升高,GaAs0.8P0.2垒层量子阱的材料增益以及器件的输出功率降低更加缓慢,具有更好的高温特性。选择四分之一波长厚的Al0.1Ga0.9As和Al0.9Ga0.1As作为高低折射率材料组成上下DBR,考虑色散、吸收损耗和串联电阻的影响,采用传输矩阵的方法计算了不同对数DBR的反射谱。P-DBR高反射镜在30对时发射率达到99.9%以上,N-DBR低反射镜在20对时的反射率超过99.3%。利用PICS3D专业软件对该结构进行模拟,考虑温漂的影响,激射光谱的中心波长在1050nm附近,符合要求。在1060nmVCSEL结构设计的基础上,对980nmVCSEL器件的结构进行了优化,综合考虑器件的阈值电流、输出功率以及转换效率等方面,得出了n-DBR的最佳反射率。研制了980nmVCSEL单管和列阵器件,对VCSEL器件的输出功率及激射光谱进行了测试。500μm直径单管器件在注入电流为110A时,峰值功率达到102W,功率密度为52KW/cm2,与优化前相比有了极大的提高,4*4、5*5列阵器件在100A时,功率分别达到98W和103W。对比了500μm单管器件在连续、准连续和脉冲工作条件下的P-I特性和光谱特性,在连续工作时,随着电流的增加,器件的自热效应导致内部温度升高,使得输出功率很快饱和。而且器件的激射波长发生明显红移,漂移速率达到0.92nm/A,而在准连续下,漂移速率为0.3nm/A,脉冲条件下仅为0.0167nm/A,远小于连续和准连续的情况。建立了垂直腔面发射激光器列阵的热传导模型,利用Comsol Multiphysics软件对模型进行了模拟计算。通过改变底发射列阵中单元直径和间距,得出了列阵温升的趋势。为了降低温升减小列阵尺寸,增加功率密度,单元直径应小于150um,最佳值在50-100um。实验制作了4*4、5*5和8*8列阵并进行了测试,功率分别为580mW、1440mW和2100mW,对应功率密度分别为115W/cm2、374W/cm2和853W/cm2。通过光谱的波长漂移计算出4A时的温升分别为120℃、58℃和38℃。理论模拟结果与实验数据符合的较好,可以对实验进行有效的指导。最后研制的口径为100um的8*8和10*30阵列,连续输出功率分别达到2.73W和5.26W。
摘要第5-7页
Abstract第7-9页
目录第10-14页
第1章 绪论第14-40页
    1.1 VCSEL 的结构和特点第14-17页
    1.2 VCSEL 研究现状第17-35页
        1.2.1 不同波段 VCSEL 的进展第17-25页
        1.2.2 高功率 VCSEL 的进展第25-31页
        1.2.3 垂直外腔面发射激光器(VECSEL)的进展第31-35页
    1.3 大功率 VCSEL 的研究背景及意义第35-38页
    1.4 本论文的研究工作第38-40页
第2章 VCSEL 理论基础第40-64页
    2.1 量子阱的理论计算第40-45页
        2.1.1 应变材料的临界厚度第40-42页
        2.1.2 应变材料的带隙计算第42-43页
        2.1.3 能带带阶的计算第43-44页
        2.1.4 量子化子能级的计算第44-45页
    2.2 DBR 反射镜的设计第45-54页
        2.2.1 DBR 反射率的计算第46-48页
        2.2.2 DBR 的损耗第48-49页
        2.2.3 DBR 的反射带宽和穿透深度第49-50页
        2.2.4 谐振腔模式分析第50-52页
        2.2.5 DBR 的串联电阻第52-54页
    2.3 VCSEL 的输出特性第54-62页
        2.3.1 量子阱的光增益第54-57页
        2.3.2 阈值电流密度第57-58页
        2.3.3 微分量子效率第58页
        2.3.4 电光转换效率第58-62页
        2.3.5 输出功率第62页
    2.4 本章小结第62-64页
第3章 大功率 VCSEL 的结构设计与性能模拟第64-98页
    3.1 1060nm VCSEL 器件量子阱的参数设计第64-78页
        3.1.1 量子阱材料的选择第64-67页
        3.1.2 带隙的计算第67-68页
        3.1.3 带阶的计算第68-69页
        3.1.4 有效质量的计算第69-71页
        3.1.5 子能级的计算第71-72页
        3.1.6 量子阱的子能级对应带隙和波长第72页
        3.1.7 量子阱的材料增益第72-74页
        3.1.8 器件的输出特性及材料参数的选取第74-76页
        3.1.9 不同垒层器件的对比第76-78页
    3.2 1060nm VCSEL 器件 DBR 的参数设计第78-83页
        3.2.1 AlxGa1-xAs 材料折射率的计算第78-80页
        3.2.2 损耗及色散对 DBR 的影响第80-82页
        3.2.3 渐变型 DBR第82-83页
    3.3 VCSEL 结构的整体设计第83-91页
        3.3.1 VCSEL 的光腔设计第84-86页
        3.3.2 氧化限制层设计第86页
        3.3.3 1060nm VCSEL 的结构第86-89页
        3.3.4 PICS3D 软件模拟结果第89-91页
        3.3.5 量子阱的生长与测试第91页
    3.4 980nm VCSEL 器件数值模拟第91-94页
    3.5 VCSEL 器件的电流密度分布第94-96页
    3.6 本章小结第96-98页
第4章 VCSEL 制作工艺研究第98-110页
    4.1 外延生长技术介绍第98-99页
    4.2 外延片清洗第99-100页
    4.3 光刻技术第100-102页
    4.4 湿法刻蚀工艺第102-104页
    4.5 湿法选择氧化技术第104-107页
        4.5.1 原理第104-105页
        4.5.2 实验装置第105页
        4.5.3 湿法选择氧化工艺条件第105-107页
    4.6 工艺流程第107-108页
    4.7 本章小结第108-110页
第5章 大功率 980nm VCSEL 器件的研制与测试第110-132页
    5.1 980nm VCSEL 器件 n-DBR 的优化第111-116页
        5.1.1 980nmVCSEL 器件的结构第111页
        5.1.2 理论计算第111-116页
    5.2 980nm VCSEL 阵列的优化第116-120页
        5.2.1 理论模型第116-118页
        5.2.2 计算结果第118-120页
    5.3 器件的测试与分析第120-130页
        5.3.1 测试方法与原理第120-122页
        5.3.2 优化前的单管器件测试结果第122-124页
        5.3.3 优化后器件的测试结果与分析第124-130页
    5.4 小结第130-132页
第6章 总结与展望第132-136页
参考文献第136-146页
在学期间学术成果情况第146-148页
指导教师及作者简介第148-150页
致谢第150页
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