垂直腔面发射激光器(Vertical cavity surface emitting laser,VCSELs)是一种理想的面发射光源,具有光束质量好、单纵模、低阈值、易于实现片上测试等特点,已在数据传输、传感、光互连、激光打印、光信号处理等领域得到了日益广泛的应用。由于其易实现二维阵列,可获得高功率输出,但是这类激光阵列各个发光单元发出的光是互不相干的,各个光源之间没有确定的相位关系,不能提高光束质量。特别是在同相模式下,能量主要集中在轴向的近衍射极限的窄光束,并且光束发散角的大小与单元的数量呈现反比的关系,阵列规模越大,光束质量越好。因此,相干耦合阵列可以广泛应用于如激光雷达、光通信、泵浦等高功率领域和如图像处理、光谱传感等低功率领域。在相干VCSEL阵列的基础上,通过电流注入控制,达到对VCSEL阵列各单元相位的分别控制,可实现VCSEL阵列光束在一定角度范围内的扫描。这种电控制的方法,相对于机械方法更加灵敏、可靠性高,在激光雷达,可操控光源等领域有着诱人的应用前景。本论文在国家自然科学基金的资助下,系统研究了二维相干耦合阵列及光束操控技术。包括阵列单元的耦合机制,同相耦合模式的设计,质子注入技术的耦合阵列的制备技术及测试技术等。研制出高光束质量同相VCSEL耦合阵列,实现了阵列近衍射极限单模同相输出和高效二维光束操控。具体工作如下:1.质子注入阵列耦合机制的研究和同相耦合阵列的设计国际上目前只研究了1×2阵列的模式特性。我们通过分析阵列的热效应和载流子注入对材料折射率的影响,根据质子注入限制阵列的弱反波导原理建立了阵列的二维模型,从模拟与实验两方面研究了二维阵列结构与模式的关系,确定出阵列的同相模式和反相模式的结构。通过有限差分方法,对同相耦合阵列的远场特性进行了模拟分析,研究了发散角、中心光斑耦合度、远场光斑间隔与阵列结构和激射波长的关系,在互制约的因素中取得单元和阵列结构的优化设计。2.阵列的制备技术研究了质子注入限制阵列制备技术。通过理论和实验分析,综合考虑器件的阈值电流和输出功率等参数,确定出了合适的注入能量与剂量。采用金属Ni刻蚀二氧化硅方法制作质子注入掩膜,保证了掩膜图形的垂直性和均匀性。采用质子注入电隔离光耦合技术制备VCSEL耦合阵列,对光刻、刻蚀、溅射等工艺进行优化,形成一套完整的阵列制备方案。3.大功率、大电流工作范围同相耦合阵列的设计制备由于质子注入引起器件表面电阻增大,使器件损耗增大,影响输出功率,国际上同相模式的输出功率只有1mW左右。通过淀积金纳米层的方法改善表面电流扩展,实现了电流的均匀注入,减小器件热损耗,设计并制备出具有相对较高功率输出的同相耦合VCSEL阵列,连续条件下同相模式的输出功率达到4mW。国际上质子注入限制阵列均为正方结构,同相模式只工作在小电流范围内。我们设计出了7单元六角结构阵列,相比于正方结构阵列,由于该结构中距离中心单元有着更多的邻近单元,能够实现更强的单元间耦合,获得了从15mA到35mA下的大电流范围的同相模式工作。研究了在不同注入电流下耦合阵列的近场、远场及光谱等特性,阵列的发散角仅为2.5度,大约有29%的能量集中在中心光束,使光束质量明显提升。4.耦合阵列光束操控技术的研究在光束操控阵列中,通过对各单元注入电流的单独控制,达到耦合阵列内单元相位的控制,以实现光束的偏转。国际上通过刻蚀掉单元间隔区域的表面的方法来实现单元间隔离,但是效果差,影响偏转控制效率。我们设计出新颖的分立电极和多次不同能量的质子注入来实现单元间完全的电隔离。设计并制作了1×2和3单元光束操控阵列,实现了一维和二维方向上的高效可控的光束偏转,偏转角度分别为2.1度和1.6度,在偏转过程中仍能保持单元间的较强耦合。详细地分析了光束在偏转过程中的输出功率、发散角、光谱等特性的变化规律,实现了同相模式与反相模式的自由切换。