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。

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。

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)。

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。

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。

980nm高功率垂直腔面发射激光列阵的单元结构优化

为了提高980nm垂直腔面发射激光器(VCSEL)列阵的整体性能,对列阵单元器件的分布布拉格反射镜(DBR)的反射率进行了优化。分析了DBR的反射率与阈值电流,输出功率及转换效率之间的关系,在维持较低阈值电流的前提下适当调节了N-DBR的反射率,使单元器件斜率效率得到了有效提高,进而改善了VCSEL列阵的整体输出特性。优化DBR反射率后研制出的包含64个单元的VCSEL列阵器件在注入电流为6A时的连续输出功率为2.73W;在脉宽为100ns,重复频率为100Hz的130A脉冲电流驱动下输出功率达到115W;包含300个单元的列阵器件在注入电流为18A时,连续输出功率达到5.26W。对N-DBR反射率进行优化后,VCSEL列阵的整体输出特性得到了有效改善。

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．

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°。

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°。

垂直腔面发射激光器的热学特性

通过求泊松方程、电流密度方程、载流子扩散方程以及有源层结压降方程自洽解的方法,计算了垂直腔面发射激光器(VCSEL)的电势分布,进而求解热传导方程,得到VCSEL的温度分布.详细分析了注入电流密度小于或等于阈值电流密度时,晶片键合结构垂直腔面发射激光器的键合界面阻抗、氧化层限制孔径、外加电压以及分布布拉格反射镜的热导率的大小对VCSEL内部温度分布的影响.

垂直腔面发射激光器温度特性的研究

借助于SV-32低温恒温器及LD2002C5 VCSEL测试系统,对内腔接触式氧化物限制型垂直腔面发射激光器进行了变温实验研究,测得在-10℃～70℃温度范围内,器件输出光功率、电压、斜率效率、发射波长和阈值电流随温度变化的实验曲线,并结合不同温度下VCSEL反射谱和增益谱的模拟结果,对实验曲线进行了很好的分析和解释.估算了连续工作状态下研制的InGaAs/GaAs垂直腔面发射激光器内部温升值,而且还得到了现有工艺条件下满足最低室温工作阈值的谐振腔谐振波长与增益谱峰值波长.

980nm大功率垂直腔面发射激光器温度和远场分布特性

采用发射波长为980nm的InGaAs／GaAs应变量子阱，在垂直腔面发射结构中共设计生长3组、每组3个量子阱，形成9个量子阱的周期性增益结构，并使每组均位于腔场极大处，以获得最好的增益匹配。为提高激光器的输出功率及获得较好的光束质量，采用大台面直径和由衬底面出射激光的结构。每个单元器件的P面台面直径为400-600μm，经湿氮气氛下40min的侧氧化后在有源区形成直径300-500μm的电流限制孔。而N面出光孔的直径仍为相应的400-600μm。在室温连续工作下器件的最大输出功率达到1．4W。随着注入电流的增大，观察到激光远场分布从空心圆环向中心单亮斑转化的过程。对不同温度下的激光输出特性进行了变温测试，结果表明通过DBR和有源区结构设计上较好的匹配，实现了室温下最低的激射闽值电流。