论文部分内容阅读
垂直腔面发射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting laser,VCSEL）具有低阈值，小发散角，高调制带宽，低功耗，成本低，面发射易于二维集成等众多优点，使其在自由空间光互连，光通信，光信息处理，光传感以及各种高速并行网络应用中占有十分重要的地位，越来越受到国内外研究机构的重视。在高质量光通信，激光打印等应用领域均要求其单基模高功率输出。对于常规氧化限制型VCSEL而言，单基模VCSEL的氧化孔径不能大于4μm，导致输出光功率小于5mW。而高功率又要求具有较大氧化孔径，二者对器件结构的要求相互制约，导致功率难以提高。反谐振反射波导(Antiresonant reflecting optical waveguide，ARROW)结构是实现单模大功率VCSEL的方法之一。通过在外延结构中加入spacer层，结合湿法腐蚀和二次外延技术，利用腔诱导形成的ARROW结构中的泄漏模高阶模比低阶模损耗大，可以抑制高阶模激射，获得单基模的输出。通常人们利用平板近似的模型对ARROW结构的VCSEL进行设计和分析，但是平板近似的方法难以准确的描述在VCSEL中使用的圆柱型ARROW结构。本文在器件的设计和理论计算时采用圆柱型ARROW结构模型可以对ARROW结构进行了更加精确的损耗分析，同时还利用了三维有限时域差分(FDTD)法，对ARROW结构VCSEL的光学特性进行了分析。以此为指导设计了器件的结构和制作工艺流程，并在实验室进行了器件的制备和关键工艺的探索。主要内容包括：(1)对ARROW结构中泄漏模进行了深入的研究：利用圆柱型ARROW结构模型计算了不同参数条件的基模和一阶模的损耗，分析了损耗与各参数的关系，并且计算了ARROW结构中光场分布。(2)采用三维FDTD方法，对ARROW结构VCSEL的光学特性进行了模拟，分析了第一包层厚度及孔径对ARROW结构VCSEL横模和远场特性的影响。(3)设计了腔诱导ARROW结构VCSEL及其制备工艺流程，并对湿法腐蚀，清洗，自对准等关键工艺进行了深入研究，制备出了的ARROW结构的VCSEL。(4)对二次外延后P型DBR的电学特性进行了测试和对制备好的ARROW结构VCSEL光学和电学特性进行测试和分析。其中测试得到的ARROW结构VCSEL的典型结果为：输出功率80uW，阈值电流1mA，开启电压1.4V，串联电阻280。