论文部分内容阅读
垂直腔面发射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）以其低阈值，低功耗，单纵模，调制带宽，易形成二维阵列和集成等特点，在光通信，短距离光互连，数据传输中得到广泛的应用。但在很多高端应用场合如：空间光通信，激光雷达，高密度光存储，医疗检测，激光打印等方面，需要激光器具有稳定的单横模高功率，圆形光斑并且很小的光束发散角的输出，接近衍射极限。反波导(antiguide)结构VCSEL可在较大出光孔径下保证器件的单模输出，光束质量较好。更重要的是反波导VCSEL阵列单元之间是泄漏波的强耦合，有利于高功率下的模式选择性和稳定性，其中同相耦合模式具备近衍射极限的光束质量，是高性能锁相VCSEL阵列的发展趋势之一。本论文在国家自然科学基金的资助下，系统研究了反波导面发射激光器以及二维同相耦合阵列。研究了腔诱导反波导VCSEL和质子注入反波导阵列的理论模型，模拟，结构设计，制备和测试技术。主要进行了以下的工作：1）在VCSEL基本模型基础上，借鉴Hadley的有效折射率模型和光纤模式分析方法，建立反波导VCSEL器件的理论模型，确定spacer层厚度并分析由此导致的谐振腔共振波长偏移量，计算侧向腔诱导折射率台阶数值。利用更准确的圆环传输矩阵法，分析反波导结构的辐射模式损耗，优化结构，设计反波导VCSEL横向尺寸。研究了利用MOCVD的二次外延技术和介质膜DBR技术制备反波导器件。创造性地利用介质膜内腔反波导结构实现了器件的激射，获得了0.28mW的激光输出。2）系统论述了质子注入形成绝缘层的原理,对质子注入型垂直腔面发射激光器的关键注入参数进行了论证和推算,并通过SIMS测试进行检测。综合研究了注入能量对器件功率，阈值特性的影响。探究了电流限制的实际注入孔径，针对实际的结构进行注入能量的优化。在注入能量为315kev，剂量为1E15/cm2的注入条件下,制备出注入孔径为10μm的质子注入型垂直腔面发射激光器，阈值为4.3mA，输出功率1.7mW(Acta Physica Sinica, Vol61, No.21pp2142071-5)。3）采用质子注入电隔离光耦合技术制备VCSEL耦合阵列。分析阵列的热效应和载流子注入对阵列耦合特性的影响，建立起弱反波导结构模型对阵列性能进行分析。研究了单元间隔对耦合性能的影响。解决小孔径时注入掩膜的困难。设计制备出具有高光束质量的同相耦合2×2VCSEL阵列，远场发散角仅为3.6度，达1.18×D.L.(diffraction-limited)，连续输出功率0.45mW。（IEEE PhotonicsTechnology Letters, Vol26, No4,pp395-397）相比质子注入VCSEL单管的近10度的发散角，光束质量和亮度得到大的提升。4）当阵列规模较大时，针对环形电极电流注入非均匀问题和网格电极抑制同相模式的问题，在器件表面引入ITO电流扩展层。研究了不同厚度的ITO层对电流表面扩展的影响。实现了3×3同相耦合阵列的输出，远场发散角降低至2.4度，脉冲输出功率达4.3mW（IEEE Photonics Journal Vol.5, No.6, pp15026061-6）。而目前国际上规模为3×3的同相耦合质子注入阵列，由于电流扩展的问题，必须利用复杂的倒装技术才能实现。5）为探究阵列最邻近单元数目的多少对器件的耦合输出所产生的影响，制备了以堆密积方式排布的1×7的六角阵列，并对其同反相的输出特性进行了理论上的分析，初步得到了近场的测试结果，显示出了其排列方式所特有的特征。