大功率垂直腔面发射激光器阵列的热优化

提出了一个新的参数——温度影响因子,其统筹考虑了垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列单元之间的间距、氧化孔径尺寸、单元的数量和输入电流,并可用于表征阵列受热串扰影响程度。在此基础上,基于Python设计了VCSEL阵列的优化布局算法,并建立了热电耦合模型,验证了优化布局对温度特性的优化效果,与常规布局相比,优化阵列内部温升显著降低。另外,在固定电流密度和发光面积的条件下,同时减小氧化孔径尺寸和增加单元数可以有效地改善VCSEL阵列的温度特性。10μm氧化孔径的平均温度比30μm氧化孔径的平均温度低28 K。研究结果表明,本文所提出的VCSEL阵列优化方案有效减低了热串扰的影响,通过对温度影响因子中各变量的分析,可以为VCSEL阵列的设计提供指导。

封装方式对垂直腔面发射激光器热特性的影响及优化

垂直腔面发射激光器(VCSEL)易于片上集成,是激光雷达、安防照明等系统中的关键光电子器件。但VCSEL器件内部严重的自发热现象会影响器件的输出功率、高速特性和稳定性等,因此VCSEL热管理技术极具重要性,采用优化的封装方式能够有效增加VCSEL的热耗散,是改善VCSEL热性能的重要方法。本文基于有限元(Finite-element method,FEM)计算模型,对不同封装方式和器件表面采用覆盖铜薄层的VCSEL热特性进行数值分析。仿真结果表明,相较于顶出光封装方式,衬底出光(完全刻蚀上下DBR)的倒装焊封装能够有效降低有源区温度,下降超56%。随着器件台面直径逐渐增大,采用顶出光封装方式的器件温度和热阻显著下降,温度下降约50℃,热阻下降超3.25 K/mW;而完全刻蚀上下DBR结构且采用倒装焊封装方式和仅刻蚀PDBR结构且倒装焊封装方式的器件温度和热阻则均呈缓慢上升趋势,器件温度上升约2℃,热阻上升约0.15 K/mW。在器件台面、侧壁及衬底上表面覆盖一层铜可有效降低有源区温度和改善热阻,当覆铜层厚度为3μm时,有源区温度下降43%,热阻下降1.9 K/mW。本文分析了封装方式对VCSEL热特性的影响并提出相应的优化方案,对VCSEL的有效散热封装具有指导意义。

光泵磁力仪中垂直腔面发射激光器激光波长锁定

针对光泵磁力仪(OPM)对小型化、低功耗以及激光光源波长稳定性的要求,提出一套垂直腔面发射激光器激光波长锁定控制方案.所提基于多普勒吸收的光反馈波长锁定方案以133 Cs原子D1线F_(g)=4→F_(e)=3超精细能级跃迁波长为参考波长,OPM的原子蒸汽气室同时作为波长锁定的工作气室,无需任何额外装置即可将激光波长锁定在该D1线跃迁波长.使用数字比例积分微分控制与模糊控制算法进行激光的温度控制,使温度波动在±0.005℃内;采用基于电流镜的激光电流驱动方案,使电流波动在±50 nA内,为激光波长锁定提供了良好的硬件基础.最后,在实验室环境下实现OPM长达2 h的稳定信号输出.

车用垂直腔面发射激光器模组整板金锡共晶焊接工艺

激光雷达及飞行时间(ToF)传感器中垂直腔面发射激光器(VCSEL)模组使用的银胶固晶工艺存在银迁移及硫化问题,亟需开发一种可靠性高并可量产的整板金锡共晶焊接工艺。以单颗焊接模式下单因素实验及正交实验为基础,借助Ansys热仿真工具,探究整板焊接中基板与压头之间合适的匹配温度。单因素控制变量实验发现,固晶芯片推力随共晶温度、压头行程、共晶时间的增加先增大后减小,正交实验得到最佳工艺参数为共晶温度320℃、压头行程500μm、共晶时间4 s。采用优选工艺参数500μm、4 s、270~350℃进行整板焊接,平均固晶芯片推力为821 N,相较银胶固晶工艺提高了139%。

高功率垂直腔面发射激光器阵列热特性

为了改善垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列的热特性,提高器件的可靠性,本文基于有限元模型,研究了不同单元间距、排布方式对阵列器件的热串扰现象、热扩散性能的影响.在理论分析的基础上,制备了几种不同排布方式的VCSEL阵列器件,并对其进行测试分析.结果显示,相较于正方形排布方式,新型排布方式器件具有更高的输出功率,同时阈值电流也有所降低.其中五边形排布方式的器件表现出最佳的性能,其输出功率高达150 mW,比正方形排布方式提高了约73%.这表明通过调整阵列单元的间距、排列方式,可以使各单元间的热串扰现象得到有效改善,降低器件的热效应,进而降低器件温度,提高输出特性.

940 nm垂直腔面发射激光器单管器件的设计与制备

计算了InGaAs/AlGaAs量子阱的激射波长与阱垒厚度的关系,并通过Rsoft软件计算了不同温度下的材料增益特性.计算并分析了渐变层厚度对分布布拉格反射镜(distributed Bragg reflectors,DBRs)势垒尖峰及反射谱的影响,通过传输矩阵理论得到P-DBR和N-DBR的反射谱和相位谱.模拟了垂直腔面发射激光器(vertical surface emitting lasers,VCSEL)结构整体的光场分布,驻波波峰与量子阱位置符合,基于有限元分析模拟了氧化层对电流限制的影响.通过计算光子晶体垂直腔面发射激光器(photonic crystal vertical cavity surface emitting lasers,PC-VCSEL)中不同的模式分布及其品质因子Q,证明该结构可以有效地实现基横模输出.通过光刻、刻蚀、沉积、剥离等半导体工艺成功制备出氧化孔径为22μm的VCSEL和PC-VCSEL,VCSEL的阈值电流为5.2 mA,斜率效率0.67 mW/mA,在不同电流光谱测试中均是明显的多横模输出;PCVCSEL的阈值电流为6.5 mA,基横模输出功率超过2.5 mW,不同电流下的边模抑制比超过25 dB,光谱宽度小于0.2 nm.

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 SurfaceEmitting 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℃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℃时激光波长的电流调谐系数由1.120 nm/mA变至1.192nm/mA;温度调谐系数由0.072 nm/℃变至0.077 nm/℃。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。

增益腔模大失配型垂直外腔面发射激光器侧向激射抑制

垂直外腔面发射激光器(Vertical external cavity surface emitting laser,VECSEL)的侧向激射是制约其高性能工作的关键。我们设计了室温下量子阱增益峰与表面腔模大失配(30 nm)的增益芯片结构,并证实该结构可以有效抑制泵浦功率增加时VECSEL的侧向激射增强问题。增益芯片基底温度为20℃时,VECSEL正向激射波长位于980 nm,侧向激射波长位于950 nm,当泵浦功率逐步增加时,侧向激射强度随着正向激射的出现而迅速降低。这是因为激光正向激射时量子阱的受激辐射能级与正向激射激光模式匹配,正向激射的激光模式可以获取更高的模式增益,在与侧向模式的竞争中处于优势地位。当基底温度控制在0℃与10℃时,量子阱本征增益峰值与表面腔模失配度增大,此时VECSEL仍然表现出稳定的侧向激射抑制效果。

基于光注入下脉冲电流调制1550nm垂直腔面发射激光器获取宽带可调谐光学频率梳

光学频率梳由一组等间距的离散频率成分组成,在计量学、光谱学、太赫兹波产生、光通信、任意波形产生等领域有着广泛的应用.本文提出了一种基于光注入下脉冲电流调制1550 nm垂直腔面发射激光器获取宽带可调谐光学频率梳的实验方案.在该方案中,首先采用脉冲信号电流调制激光器,使其输出的光谱呈现出无明显梳状线的宽噪声谱;进一步引入光注入,获取宽带可调谐光学频率梳.当注入功率为18.82μW、注入波长为1551.8570 nm、调制电压为10.5 V、调制频率为0.5 GHz、脉冲宽度为200 ps时,获取了带宽约为82.5 GHz,信噪比约为35 dB的光学频率梳,且该光学频率梳的单边带相位噪声低至-123.3 dBc/Hz@10 kHz.此外,本实验也系统研究了注入波长、调制频率、脉冲宽度对光学频率梳性能的影响.实验结果表明:改变调制频率可以获得不同梳距的光学频率梳,当调制频率在0.25—3 GHz范围内,选择优化的注入波长和脉冲宽度,可获取带宽超过60 GHz的光学频率梳.

80 Gb/s高速PAM4调制850 nm垂直腔面发射激光器

展示了高速直接调制850 nm氧化物限制垂直腔面发射激光器(VCSEL)的结果。优化设计应变InGaAs/AlGaAs量子阱以实现高微分增益,通过表面刻蚀来调节光子寿命实现响应平坦化。研制的氧化物孔径约7μm的VCSEL具有平坦的频率响应,3 dB调制带宽为24 GHz,相对噪声强度值-155 dB/Hz,未采用任何预加重和均衡技术情况下PAM4调制数据传输速率达80 Gb/s。

垂直外腔面发射半导体激光器的双波长调控研究

报道了一种结构紧凑的垂直外腔面发射激光器(Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Laser,VECSEL)及其双波长调控。通过调控泵浦光功率,实现了VECSEL输出的两个激光波长之间的相互转换,双波长的间隔接近50 nm。VECSEL的输出功率曲线呈现明显的两次翻转,翻转点对应了激射波长的转换。这是由于泵浦功率变化改变了增益芯片内部的温度,进而通过热调谐使得发光区增益峰值被调谐到腔模的不同位置。在0℃时,每个激射波长的最大输出功率都在1.5 W以上。随着泵浦功率的改变,激射波长可以在950 nm和1000 nm之间切换,同时还可以在1.5 W以上的功率水平下实现双波长同时激射。这种可切换波长及双波长同时激射的VECSEL器件在光调制、差频等领域有较大应用潜力。

高功率多结905nm垂直腔面发射激光器

本文针对激光雷达等中、远距离传感应用,设计并制备了3结905 nm垂直腔面发射激光器(VCSEL)。通过PICS3D软件对多结VCSEL相邻有源区间距和P型分布布拉格反射镜(DBR)对数进行仿真计算,设计了具有2λ的相邻有源区间距和14对P型DBR的3结VCSEL。在此基础上,外延生长和制备了100单元3结905 nm VCSEL阵列,单元氧化孔径为15μm。在窄脉冲条件下(脉冲宽度100 ns,占空比0.05%),该阵列的最大峰值功率达到24.7 W,峰值功率密度为182 W/mm^(2)。

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12μm)时仍然保持单横模工作。

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/e^(2)、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/e^(2)、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。

微型铷原子钟专用795nm垂直腔表面发射激光器

针对铷(87 Rb)原子钟激励光源微型化和高温工作的特殊需求,设计并制备了对应铷原子能级跃迁的795nm垂直腔面发射激光器(VCSEL)。首先,根据k·p理论计算了InAlGaAs/AlGaAs量子阱的价带能级和材料增益,得到最优的量子阱组分和厚度;然后,采用一维传输矩阵方法设计了795nm波段的布拉格反射器(DBR),根据完整结构VCSEL器件的驻波场分布设计了掺杂分布;最后,采用金属有机气相外延(MOVPE)技术生长了优化的795nm VCSEL外延结构,并制备了氧化限制型非闭合台面结构的795nm顶发射器件。实验显示:封装后的75μm口径器件可在室温至85℃范围内连续工作,最高功率为17mW,激光光束呈圆形,发散角为15°,激射波长的温漂系数为0.064nm/℃;在温度为52℃、注入电流为100mA时,激射波长位于794.7nm(对应铷原子钟需要的波长),基本满足铷原子钟激励光源对波长稳定和高温工作的要求。

894nm高温垂直腔面发射激光器及其芯片级铯原子钟系统的应用

报道了自行研制的894 nm高温垂直腔面发射激光器(VCSEL)以及基于此类器件的芯片级铯原子钟系统的应用实验结果.根据芯片级铯原子钟对VCSEL在特定高温环境下产生894.6 nm线偏振激光的要求,对器件的量子阱增益及腔模位置等材料结构参数进行了优化,确定增益-腔模失谐量为-15 nm,使器件的基本性能在高温环境下保持稳定.研制的VCSEL器件指标为:20—90?C温度范围内阈值电流保持在0.20—0.23 m A,0.5 m A工作电流下输出功率>0.1 mW;85.6?C温度环境下激光波长894.6 nm,偏振选择比59.8:1;采用所研制的VCSEL与铯原子作用,获得了芯片级铯原子钟实施激光频率稳频的吸收谱线和实施微波频率稳频的相干布居囚禁谱线.

基于垂直腔面发射半导体激光器的自混合测速实验

针对激光自混合速度传感应用,采用新型垂直腔面发射激光器作为自混合干涉系统光源,对采用不同散射表面类型和工作电流所获得的自混合测速实验结果进行了研究。研究结果表明,黑色相纸材质的散射表面会对自混合信号产生不利影响;选择激光器的工作电流在阈值电流1~1.4倍时能获得较大且稳定的自混合信号。考虑该测速系统实际应用中存在开机预热时间,讨论了激光自混合系统的开机重复度。结果表明,开机后17 s左右,频率计计量的多普勒频率趋于准确和稳定。此研究结果可为垂直腔面发射半导体激光器自混合测速系统的光源选择和参数优化提供指导。

小发散角垂直腔面发射激光器的设计与制作

针对垂直腔面发射激光器单管及列阵器件较大的远场发散角,对大直径单管器件及列阵单元器件的有源区中的电流密度分布进行了模拟计算,分析了器件高阶横模产生的原因。分别采用优化p面电极直径和镀制额外金层结构来抑制单管及列阵器件远场光斑中的高阶边模,所制作的氧化孔径为600μm的单管器件的远场发散角半角宽度从30°降低到15°;氧化孔径200μm,单元间距280μm的4×4列阵的远场发散角从30°降低到10°。

850nm垂直腔面发射激光器列阵

为了解决垂直腔面发射激光器(VCSEL)列阵中金丝难以键和和电流注入不均匀的问题,提出了一种非闭合型VCSEL列阵结构。该结构通过腐蚀非闭合环形凹槽形成器件台面,从而简化了工艺步骤,减少了器件的损伤。分别对2×2,3×3,4×4阵列的850nm非闭合型顶发射VCSEL器件进行了测试和分析,结果显示其室温连续输出功率分别达到80,140和480mW;阈值电流分别为0.15,0.25和0.4A;平行方向和垂直方向上的远场发散角分别为9°和9.6°,13.5°和14.4°,15°和14.4°。在脉宽为50μs、重复频率为100Hz时,最大输出功率分别为90,318和1 279mW;阈值电流分别为0.2,0.5和0.7A。分别测试了芯片在封装前后的功率曲线,发现芯片在封装之后的热饱和电流要远远高于封装之前,从而说明良好的封装技术可以提高器件的散热效率,降低器件内部发热对器件性能的影响。

高峰值功率808nm垂直腔面发射激光器列阵

为了实现808 nm垂直腔面发射激光器(VCSEL)的高功率输出,对808 nm VCSEL的分布式布拉格反射镜(DBR)结构材料进行了优化设计,分析了AlxGa1-xAs材料中Al组分对于折射率与吸收的影响,并最终确定了材料。采用非闭合环结构制备了2×2 VCSEL列阵。通过波形分析法对VCSEL列阵的功率进行了测量:在脉冲宽度为20 ns、重复频率为100 Hz、注入电流为110 A的条件下,最大峰值功率为30 W;在脉冲宽度为60 ns、重复频率为100 Hz、注入电流为30 A的条件下,最大功率为9 W。对列阵的近场和远场进行了测量,激光器垂直发散角和水平发散角半高全宽分别为16.9°和17.6°。