高功率垂直腔面发射激光器的热行为特性

垂直腔面发射激光器（VCSEL）是在20世纪70年代出现的一种新型结构的半导体激光器，这种激光器以量子阱为增益介质，从垂直于衬底的方向出光，并且谐振腔长很短。由于其独特的结构特点，使得它与传统的边发射半导体激光器相比有很多优点，例如较易实现二维阵列集成，可以进行动态单纵模运转，输出低发散角、圆对称光斑，光纤耦合效率高等。这些特征使得VCSEL已经成为光纤通信、光互连等许多光电子技术领域中的重要器件。但是，VCSEL激光器在发展过程中仍然存在很多问题，尤其在发展低阈值、高功率和温度稳定运行的器件方面，其内部严重的热效应就是一个主要的限制因素。由于热效应的存在，使器件温度升高，最终导致其很多特性都发生了改变。另外，由于横向热流扩散与叠加效应的存在，使得二维VCSEL列阵器件的热行为特性表现的更为严重。本文围绕高功率980nmVCSEL，对单管和列阵器件的热行为特性进行了理论分析、实验测量和器件优化方面的研究。理论上首先对In0.2Ga0.8As/GaAs0.92P0.08量子阱的温度特性进行了研究，主要从能带和增益两方面入手。计算了温度对量子阱禁带宽度和能带带阶的影响；模拟了不同温度下的材料增益，计算得到了增益峰值波长和峰值增益随温度的变化速率。然后基于特征矩阵法，分别计算了P-DBR和N-DBR在不同温度下的反射率，分析了反射率随温度的变化趋势并计算了变化速率。以上对分析VCSEL器件激射波长、阈值电流和输出功率的温度特性提供了理论上的依据，对优化VCSEL的热特性具有重要的指导意义。最后对近场分布的温度特性进行了理论模拟，定性的分析了载流子分布、模式以及温度之间的相互关系。在理论分析计算的基础上，对VCSEL的热行为特性进行了实验测量。利用光致发光谱和电致发光谱两种方法来表征增益谱波长随温度的变化情况，实际测得的变化速率分别为0.3643nm/K和0.3873nm/K，数值相差不大，并且与理论模拟结果符合的很好。另外，利用基于VCSEL芯片制作的边发射器件，通过测量纳秒脉冲工作时电致发光谱随温度的漂移情况，以及测量连续工作时电致发光谱随电流的漂移情况，研究了自热效应引起的有源区的温升情况。得到当连续注入电流为500mA时，有源区的平均温度大约为353K左右。实验研究了氧化孔径对VCSEL单管器件热特性的影响，以此可以作为制作高功率器件时选择合适的氧化孔径尺寸的依据。通过控制氧化时间，制作了氧化孔径分别为415μm、386μm和316μm的单管器件，台面直径和P型接触电极直径均为450μm和400μm。针对三种器件在室温连续工作条件下不同的输出特性，对它们的热阻进行了实验测量，发现氧化孔径越小时器件热阻越大。通过对比电流、波长及温度的关系，得到了当连续注入电流为1A时，氧化孔径为415μm的器件温度为32.4℃，氧化孔径为386μm的器件温度为35.2℃，氧化孔径为316μm时，器件的温度高达76.4℃。利用4f系统对近场分布进行了测量，通过对比连续工作条件下和纳秒脉冲工作条件下的近场强度分布和模式尺寸变化，在实验上进一步验证了载流子分布、横模分布和热效应之间的相互作用和影响。实验测量结果与理论研究相结合为深入研究高功率VCSEL器件的热行为特性提供了重要依据。利用基于有限元分析的COMSOL软件对单元间距分别为0.5倍、1倍、1.5倍和2倍有源区直径的4×4VCSEL列阵器件的温度分布进行了模拟。从模拟结果可以看出，单元间距越大，各个单元之间的热耦合越小，每个列阵单元的温度也越低。当单元间距达到1.5倍时，不同耦合位置处的温度与0.5倍有源区直径时的相比，降低达25K以上。设计了新的列阵结构，通过改变单元的排布方式，减少了单元之间的热耦合。通过模拟得到，在不影响器件远场分布的情况下，器件的整体温度明显降低，并且列阵温度达到均匀分布。