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单模垂直腔面发射激光器(VCSEL)由于其输出激光具有稳定性高、相干性好、光束质量高等优点被广泛应用于高速光纤通信,自由空间光互连和光存储等领域。而对于传统的氧化限制型VCSEL,氧化孔由于既要限制电流又要控制光的模式,如若得到稳定的单模输出其孔径大小应在3-5微米,由于氧化的小孔效应这种器件很难制备,同时小的氧化孔会增加器件的串联电阻,限制器件的输出功率。为了解决这个问题,人们在VCSEL中引入光子晶体,利用光子晶体的弱折射率波导作用控制激光器的出光模式,其将氧化孔解放出来只用来控制电流,这样不仅可以得到大的单模输出功率,同时还可以提高激光器与光纤的耦合效率,因此对于光子晶体垂直腔面发射激光器(PC-VCSEL)的研究已经成为热点。本论文通过对PC-VCSEL各项工艺研究,提高了器件成品率,制备具有各种光子晶体图形参数的PC-VCSEL,通过对器件的测试结果分析优化器件结构,最终制备单模大功率PC-VCSEL,其主要内容有:
1.研究VCSEL制备工艺,优化VCSEL的制备流程,通过研究探索优化VCSEL的垫台,金属上电极制备,氧化等工艺提高VCSEL成品率。
2.研究了光子晶体的干法刻蚀工艺,讨论了各种参数对刻蚀图形的影响,通过实验最后确定刻蚀条件为:LF源功率400W,RF偏压源功率150W,Cl2:SiCl4:Ar=25sccm:25sccm:25sccm,腔室压强6mtorr,常温刻蚀。
3.实现了光子晶体垂直腔面发射激光器的单横模激射,通过对器件测试结果讨论优化工艺条件和器件结构,最终利用电子束曝光制备出周期出a=2μm,空气孔径b=1μm的七孔缺陷光子晶体VCSEL,其主模线宽小于0.06nm,器件在不同注入电流下边模抑制比均大于35dB,远场发散角小于10°,单模输出功率3.1mW。
4.成功制备2×2 PC-VCSEL阵列,该阵列其输出功率5.2mW,阈值电流Ith=5mA,斜率效率Es=86μW/mA,量子效率Ep=2.8％,串联电阻Rd=11.07Q。