大功率垂直腔表面发射激光器的新进展

介绍了垂直腔面发射激光器研究进展。重点介绍了激光器在效率,输出功率、光束质量、温度特性等方面的新成果。探讨了大功率垂直腔面发射激光器在工业、医疗、国防等领域的应用。

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。

高功率1150 nm垂直外腔面发射半导体激光器

针对目前激光医疗、食品药品检测等领域对橙黄色激光的应用需求,开展了高功率基频光1150 nm垂直外腔面发射半导体激光器(VECSEL)研究。提出激光谐振腔内大尺寸基模光斑外腔结构,使VECSEL腔内模式匹配较大泵浦光斑尺寸,实现了高功率激光输出;提出增益峰-腔模失谐结构,增益峰与腔模温漂系数不同,高泵浦功率下具有良好的增益峰-腔模匹配,实现高泵浦功率工作下的激光波长稳定控制。制备的VECSEL器件在1150 nm激光波长的输出功率达到9.38 W,并获得良好的圆形对称的输出光斑形貌,光斑在正交方向上的发散角分别为7.3°和7.5°。

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.

基于490 nm垂直外腔面发射激光器的长距离水下激光通信系统

水下无线光通信技术为深海勘探和海洋资源开发利用带来了一种效率高且可靠性强的通信新方案.本文采用490 nm垂直外腔面发射激光器作为光源,基于声光外调制技术,采用脉冲位置调制方式(pulseposition modulation,PPM)搭建了长距离水下无线光通信系统.结合光源的优势并经过软判决算法优化PPM解调来提升水下通信性能,采用64 PPM调制,成功实现了96 m的水下传输距离,在50 MHz时隙频率下得到传输的误码率为1.9×10^(-5).同时测量到采用软判决解调相较于硬判决解调在性能增益上有着大约2 dB的提升,验证了软判决算法在提升水下通信性能方面相比硬判决算法的显著优势.

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%。

980nm大功率垂直腔底发射激光器

报道980nm大功率底发射垂直腔面发射激光器的结构、研制及器件的阈值电流、输出功率和光谱特性.在室温(24℃)下,5A连续电流工作时,出光孔径400μm的器件激射波长为984.1nm,输出功率达到1.42W,是目前所能见到报道中最高的.研究了出光孔径600μm的器件在连续工作时,激射波长、光谱半高宽随注入电流的变化以及在重复频率100Hz,脉冲宽度50～1000μs条件下的输出功率、效率与注入电流的关系.

高密度排列大功率垂直腔面发射激光器列阵

报道了980nm高密度排列大功率垂直腔面发射激光器列阵的研制.列阵单元为蜂窝状密堆积排列,单元台面直径为70μm,氧化孔径为30μm,相邻单元间隔为100μm.制作了含7,19,37个单元的列阵,讨论了它们的阈值电流和远场特性.在室温连续工作条件下,3种列阵的最大输出功率分别为0.26,0.5和0.6W.其中含37个单元的列阵在6A脉冲电流(脉宽30μs,重复频率100Hz)激发下,输出功率达到1.4W.

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。

大功率垂直腔面发射激光器列阵的串接结构

为了在不提高驱动电流的前提下增大垂直腔面发射激光器的输出功率,提出了一种将多个垂直腔面发射激光器芯片串接在一起的结构。首先,将垂直腔面发射激光器芯片焊接在氮化铝陶瓷热沉上,接着用金丝引线的方法以串联方式将芯片连接在一起。分别测试了串接4个、2个和单个芯片器件的微秒脉冲输出功率和纳秒脉冲输出功率,其分别为775,416,217mW和18.9,9.8,5W,测试结果显示串接4个和2个芯片器件的输出功率分别约为单个芯片输出功率的4倍和2倍。串接多个芯片器件的发射光谱半高宽(FWHM)比单个器件的略宽,但是可以通过选择均一性良好的芯片来解决这一问题。实验显示,串接结构可以实现在不提高驱动电流的条件下大幅度提高输出功率。

大功率垂直腔面发射激光器的相干性测量与分析

通过有机化学气象沉积(MOCVD)技术在n型GaAs衬底上生长制作了发射波长为850 nm的VCSELs4×4列阵器件,介绍了VCSELs的制作工艺流程。对器件进行了相干性测量,计算了干涉条纹可见度,分析了影响干涉条纹可见度的因素。

大功率垂直腔面发射激光器列阵的热模拟及优化

对垂直腔面发射激光器的产热情况进行了分析,简化了热源,建立了列阵的热传导模型,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的单元直径和间距,对列阵的温升进行了计算。研制了4×4、5×5和8×8三种不同尺寸的列阵,功率分别为580,1 440,2 100 mW,对应功率密度分别为115,374,853 W/cm2。通过光谱的波长漂移计算出4 A时的温升分别为120,58,38℃。采用小孔径单元制作的列阵可以有效地降低列阵单元间的热串扰,获得高功率输出。

大功率垂直腔面发射激光器技术研究

大功率垂直腔面发射激光与目前比较成熟的边发射激光相比在光束质量、二维面阵集成、高温工作等方面有很强的优势。2008年以来国内外研究进展迅速,在激光输出功率、效率、波长的多样性以及在应用探索等方面都有长足进步。从垂直腔面发射激光结构特征出发,对其优点特性、国外进展情况,在激光引信等需要窄脉冲工作场合的应用研究情况进行了介绍。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所在国内最早开展大功率垂直腔面发射激光研究,单管连续输出功率达到2.5 W,列阵脉冲输出功率超过百瓦。研究中为实现大功率脉冲工作和较好的光束质量,对材料结构设计、微透镜集成和一维线列阵远场叠加等方面开展了研究,对相关结果进行了介绍。

大功率垂直腔面发射激光器中减小p-DBR串联电阻的途径

为了使垂直腔面发射激光器(VCSEL)实现大功率、高效率的激光输出,对p型分布布喇格反射镜(DBR)形成的同型异质结在界面处存在大势垒导致的高串联电阻和严重发热现象进行了研究。为降低串联电阻,实现VCSEL在室温下的大功率连续发射,分析了p型DBR异质结的势垒结构,对突变异质结的串联电阻进行了计算分析,提出降低势垒高度以及增加扩散浓度是减小串联电阻的主要途径,而漏斗状的掺杂能有效降低体电阻;通过对梯度渐变异质结的分析得出缓变结能有效降低势垒高度;而用Matlab对能带图的数值分析表明,Al0.1Ga0.9As/AlAs接触层中Al组分采取双曲线形式的渐变也能有效降低势垒高度,即降低串联电阻;此外,对于渐变区缓变结的比较表明,采用20～25nm的渐变区宽度即可以得到比较低的势垒高度,同时也不会对DBR的反射率有太大的影响,是较合适的选择。

980nm大功率垂直腔面发射激光器偏振特性

大功率垂直腔面发射激光器单管器件出光口径大、横向模式多。随着注入电流和工作温度的改变出射光偏振态在两个正交偏振基态上转换。为分析输出光偏振特性,采用500μm出光口径980nm底发射器件,通过控制器件热沉温度,利用偏振分光镜分离正交偏振基态为透射波和反射波,半导体综合参数测试仪测量其功率、中心波长等参量。分析得出:两个偏振态的光功率温度特性与未加偏振分光镜时的总输出光的温度特性基本一致,中心波长差随温度升高缓慢增加。在温度低于328K时,随着注入电流的增大,反射波首先达到阈值,形成激射。但透射光波形成激射后其斜效率大于反射波。因此在达到某个电流后两个偏振态的功率变化曲线出现交替。当温度升高到328K以上时两个偏振态的功率曲线却没有明显的交替。根据对大尺寸VCSEL器件偏振特性的研究,提出通过外腔选频的方法来控制偏振的方案,分析计算后得出外腔腔长大约为0.45mm。

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)。

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.