垂直腔表面发射半导体激光器的PSPICE模型

建立了一个垂直腔表面发射半导体激光器(VCSEL)的等效电路模型,该模型以半导体激光器的速率方程为基础,将速率方程表征为由线性电路元件组成的等效电路模型。并通过通用电路模型分析软件(如PSPICE)对与其相关的简单电子电路进行分析和计算,验证了该模型的适用性与准确性。

面向系统仿真的垂直腔表面发射半导体激光器模型

建立了一个基于速率方程,考虑了热效应、空间烧孔效应的垂直腔表面发射半导体激光器的模型,并根据其物理和几何特性,通过正交变换简化了速率方程的计算,从而得到一个新的高效的面向系统连接的仿真模型,并将此模型用于激光器和光纤之间的耦合。实验结果表明,此模型可以广泛地应用于面向系统连接的光学仿真。

基于速率方程的垂直腔表面发射半导体激光器温度模型与仿真

建立了一个基于速率方程、考虑了热效应、可以模拟非直流 (即小信号和瞬态调制下 )特性 ,且适用于通用电路仿真器的垂直腔表面发射半导体激光器 (VCSEL)的简单等效电路模型。

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。

基于双光注入锁定1550nm垂直腔表面发射半导体激光器产生可调谐毫米波

基于自旋反转模型,对双光注入下1550nm垂直腔表面发射半导体激光器(1550nm-VCSEL)的非线性动力学行为进行了理论分析和数值仿真研究.结果表明:当一个中心波长位于1550nm的副VCSEL(S-VCSEL)同时受到来自两个主VCSELs(M-VCSELs)的光注入时,在适当的注入条件下,S-VCSEL可处于双光注入锁定态.此时,S-VCSEL中的两偏振模式均呈现频率为两注入光频率之差的周期性振荡,输出的光谱仅包含两个主频率部分,即光谱具有单边带特征.因此,基于双光注入下S-VCSEL的周期性振荡可以获得两个相互正交的光毫米波.通过调节两个M-VCSELs之间的频率差异可使毫米波频率在较大范围内连续可调,通过调节系统参量可以控制毫米波功率以及调制深度.

920nm光抽运垂直外腔面发射半导体激光器结构设计(英文)

设计并优化了一种用808nm的大功率激光二极管为抽运光源,In0.09Ga0.91As量子阱结构为增益介质的920nm光抽运半导体垂直外腔面发射激光器。运用有限元方法,对激光器的电特性方程和光特性方程求自洽解,计算了器件各种特性参量。分析了单个周期内不同阱的个数(1,2和3)、不同阱深、不同垒宽、不同非吸收层组分、不同非吸收层尺寸条件下,器件性能的改变,特别是模式、阈值和光-光转换效率的改变,从而选择一个最佳的结构。

多量子阱垂直腔面发射半导体激光器的速率方程分析

依据多量子阱垂直腔面发射半导体激光器（VCSELs）的结构特点，并考虑到腔量子电动力学中自发辐射增强效应，建立了多量子阱VCSELs的速率方程，并给出了其方程的严格解析解．在此基础之上，讨论了VCSELs的稳态特性，并与普通开腔和三维封闭腔中的结果进行了比较．给出了VCSELs中阈值电流密度，光输出和自发辐射与器件结构参数（阱层数，阱宽和势垒厚度）之间的依赖关系．这对于VCSELs的理论研究和优化器件结构将会有所裨益．

光泵垂直扩展腔面发射半导体激光器的研究进展

近年来,光泵垂直扩展腔面发射半导体激光器由于其光束质量好、可实现大功率输出,受到了广泛的关注。在介绍其基本工作原理的基础上,综述了不同波段光泵垂直扩展腔面发射半导体激光器的研究现状与进展,并分析、讨论了实现高功率光泵垂直扩展腔面发射半导体激光器面临的主要问题及解决方案。

高温工作垂直腔面发射半导体激光器现状与未来(特邀)

垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)具有可调控的光斑形貌、易于二维集成、窄光谱宽度、尺寸小等独特优势,尤其是VCSEL激光器高的波长温度稳定性与无腔面损伤特性,在工作温度要求苛刻的高温环境下具有极为优秀的工作表现。介绍了VCSEL激光器的结构原理,对VCSEL激光器在高温工作时激光腔模与增益的温度稳定特性进行了分析。对量子精密测量碱金属原子泵浦高温VCSEL激光器进行分析,并对其国内外发展历程与进展现状进行了介绍;分析数据中心能耗问题带来的高温高速VCSEL激光器需求,并对850 nm与980 nm两个波段的高温高速VCSEL发展历程进行了介绍;最后对高温工作VCSEL激光器未来的发展方向进行了总结展望。

1550 nm毫瓦级单横模垂直腔面发射半导体激光器

报道了国内首次实现出光功率达到毫瓦量级的单横模1550 nm波段垂直腔面发射半导体激光器(vertical-cavity surface-emitting laser,VCSEL).设计了基于InAlGaAs四元量子阱的应变发光区结构;设计并制备了具有隧穿特性的台面结构,实现了对载流子空穴的高效注入及横向模式调控;采用半导体分布式布拉格反射镜与介质反射镜结合的方式制备了1550 nm VCSEL的反射镜结构.VCSEL中心波长位于1547.6 nm,工作温度为15℃时最高出光功率可达到2.6 mW,最高单模出光功率达到0.97 mW,最大边模抑制比达到35 dB.随着工作温度增加,激光器最高出光功率由于发光区增益衰减而降低,然而35℃下最大出光功率仍然可以达到1.3 mW.激光器中心波长随工作电流漂移系数为0.13 nm/mA,并且激光波长在单模工作区呈现出非常一致的漂移速度,在气体探测领域具有很好的应用潜力.本研究为下一步通过高密度集成获得高功率1550 nm VCSEL列阵奠定了基础.

垂直腔面发射半导体激光器

描述了垂直腔面发射半导体激光器(VCSELs)的结构特点,比较了它与边发射激光器的不同。介绍了VCSELs的历史、现状、发展趋势和应用前景。

光泵浦半导体垂直外腔面发射激光器的原理与应用

光泵浦半导体垂直外腔面发射激光器(OPS-VECSEL)是二极管泵浦的多量子阱增益介质半导体激光器。近年来,光泵浦垂直外腔面发射激光器作为半导体能带工程的新成果,在理论和实验方面均取得了令人触目的进展。该器件具有较高的输出功率、卓越的光束质量和紧凑的结构。薄片式的激活介质避免了棒状介质的热透镜效应,周期性共振增益(PRG)结构提高了多量子阱内的受激辐射截面,分布布拉格反射器(DBR)减少了谐振腔的损耗。相对于晶体棒作激活介质的固体激光器来说,这种新型激光器可以通过半导体能带工程提供更加广泛的波长选择范围。它克服了电泵浦边发射和电泵浦面发射半导体激光器的限制,可以提供近衍射极限的基模或TEM01模的圆形光斑。

多有源区垂直腔面发射半导体激光器的特性分析

提出了一种多有源区隧道再生应变量子阱垂直腔面半导体激光器(VCSEL)结构,其微分量子效率可以大于1,并且可以得到阈值电流小、输出功率大的器件。从理论上得到了针对这种结构的以固定输入电流及串联电阻为参数的最优化分布式布喇格反射镜(DBR)的反射率。从理论上证实了这种结构随着有源区数目的增加能大大提高输出功率,并能极大降低阈值电源密度。

一种新型垂直外腔面发射半导体激光器

概述了近几年国外发展起来的一种新型半导体激光器光源:垂直外腔面发射激光器,详细介绍了它在光束质量方面的优点,研制方法以及工艺上的特点。

光抽运垂直外腔面发射半导体激光器的设计与数值模拟

采用多周期应变补偿InGaAs/GaAsP双量子阱结构的半导体器件作为增益介质,设计了光抽运面发射半导体激光器件结构和实验光路。在谐振腔中引入分束棱镜保证了VECSEL表面的抽运光斑为圆形光斑。计算模拟了输出功率与抽运光斑和输出镜反射率间关系曲线,优化设计了抽运功率为2W时输出镜反射率并给出了相应的输出功率与抽运功率间关系模拟曲线。

高功率垂直外腔面发射半导体激光器增益设计及制备

垂直外腔面发射半导体激光器(vertical external cavity surface emitting laser, VECSEL)兼具高功率与良好的光束质量,是半导体激光器领域的持续研究热点之一.本文开展了光抽运VECSEL最核心的多量子阱增益区设计,对量子阱增益光谱及其峰值增益与载流子浓度及温度等关系进行系统的理论优化,并对5种不同势垒构型的量子阱增益特性进行对比,证实采用双侧GaAsP应变补偿的发光区具有更理想的增益特性.对MOCVD生长的VECSEL进行器件制备,实现了VECSEL在抽运功率为35 W时输出功率达到9.82 W,并且功率曲线仍然没有饱和;通过变化外腔镜的反射率, VECSEL的激光波长随抽运功率的漂移系数由0.216 nm/W降低至0.16 nm/W,证实外腔镜反射率会影响VECSEL增益芯片内部热效应,从而影响VECSEL激光输出功率.所制备VECSEL在两正交方向上的发散角分别为9.2°和9.0°,激光光斑呈现良好的圆形对称性.

垂直腔面发射半导体激光器腔模位置对器件输出波长的影响研究

为得到高温环境下894. 6 nm稳定波长激光输出的垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL),设计并制备了腔模位置不同的VCSEL芯片;通过对VCSEL腔模位置、输出波长和温漂系数的测试分析,研究了腔模位置对器件输出波长的影响,发现腔模位置与输出波长具有线性对应关系。设计了腔模位置在890.5 nm的VCSEL外延片结构,经工艺制备得到了85℃高温环境下894.6 nm稳定波长激光输出的VCSEL芯片。实验结果表明,通过调控腔模位置可得到目标波长激光输出的VCSEL芯片,该研究为研制其他波段稳定波长激光输出的垂直腔面发射激光器奠定了基础。

量子阱调制双波长光泵浦垂直外腔面发射半导体激光器

报道了一种采用单个增益芯片实现双波长输出的光泵浦垂直外腔面发射半导体激光器(VECSEL)。VECSEL所用的增益芯片发光区由两组不同发光波长的量子阱组成,其中一组发光波长较短的量子阱采用吸收区泵浦的方式,另一组发光波长较长的量子阱采用阱内泵浦方式。在VECSEL工作时,吸收区泵浦的短波长量子阱率先激射,由于发光波长较长的量子阱对短波长量子阱的强度调制效应,此时可以观察到两种波长的光谱峰值强度随时间周期性振荡,采用高灵敏探测器观察到VECSEL此时的输出激光呈现出脉冲输出形式。随着泵浦功率进一步增加,VECSEL的输出激光呈现稳定的双波长输出,激光波长峰位分别位于967.5 nm和969.8 nm。VECSEL双波长稳定输出时的最大激光功率可以达到560 mW,光斑在正交方向呈现对称高斯形貌,正交方向发散角分别为6.68°和6.87°。

垂直外腔面发射半导体激光器的热管理方法研究

垂直外腔面发射半导体激光器在高功率运转的同时可以保持良好的光束质量,近年来一直成为研究的热点。本文介绍了垂直外腔面发射半导体激光器的结构及运行原理。由于热管理是其高功率运行的主要限制因素之一,分析了垂直外腔面发射半导体激光器的热管理方法。使用反向生长的外延片通过化学湿法腐蚀去掉砷化镓衬底,得到了约6μm左右的外延片,最后利用808nm的泵浦光进行抽运获得了200mW的连续激光输出。

表面光栅垂直腔面发射激光器偏振特性研究

研究了表面光栅结构对垂直腔面发射激光器(VCSEL)的偏振控制作用。引入表面光栅后,对不同刻蚀深度下的偏振相关的镜面损耗进行了仿真,结果表明表面光栅刻蚀深度在44~130 nm范围内均可实现稳定偏振,具有较大的工艺容差。表面光栅VCSEL在基横模工作状态下偏振抑制比(Orthogonal Polarization Suppression Ratio, OPSR)超过20 dB,偏振光谱峰间偏振抑制比达到40 dB,且在多横模状态也实现了有效的偏振控制。为了进一步验证光栅对偏振控制的效果,制作了方向互相垂直的两种表面光栅,具有这两种方向光栅的VCSEL的OPSR均达20 dB以上。测试分析表明表面光栅是VCSEL实现稳定偏振的一种有效手段。