基于亞波長光柵的VCSEL的前景分析

(聊城大學(xué)物理科學(xué)與信息工程學(xué)院 山東 聊城 252000)

自1977年，日本東京工業(yè)大學(xué)的伊賀健一提出垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器(Vertical cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)的概念開始，VCSEL各個(gè)方面的研究到現(xiàn)在均獲得了長足的進(jìn)展[1]。VCSEL的光學(xué)諧振腔與半導(dǎo)體芯片的襯底垂直，能夠?qū)崿F(xiàn)芯片表面的激光發(fā)射，有低成本，低閾值電流，單波長工作穩(wěn)定[2]、低發(fā)散角、窄線寬、圓形對(duì)稱光斑、高光纖耦合效率、易高頻調(diào)制、動(dòng)態(tài)單模工作、無腔面閾值損傷、可實(shí)現(xiàn)一維、二維高密度集成等優(yōu)點(diǎn)。隨著VCSEL的研究深入以及應(yīng)用需求的拓展，VCSEL在自由空間光通訊、光信息處理、全光通信和激光抽運(yùn)等領(lǐng)域備受重視，為滿足互聯(lián)網(wǎng)的需求和光學(xué)存儲(chǔ)密度的不斷提高提供了一條新途徑。此外，VCSEL在手機(jī)、消費(fèi)性電子等領(lǐng)域也發(fā)揮著越來越重要的作用，在3D感測、激光顯示、激光測距、微型原子鐘、高密度存儲(chǔ)、生物分析以及VR(虛擬現(xiàn)實(shí))/AR(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))/MR(混合現(xiàn)實(shí))等方面得到廣泛應(yīng)用。VCSEL未來也將在物聯(lián)網(wǎng)、5G通信、RF元件、ADAS(先進(jìn)駕駛系統(tǒng))等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，所以，高性能VCSEL的研究，引起了國內(nèi)外研究人員的高度重視。但是隨著VCSEL在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，日益表現(xiàn)出如下缺陷：

一方面，隨著VCSEL外延材料質(zhì)量和器件技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)光束質(zhì)量提出了更高的要求，高功率瓦級(jí)VCSEL成為全球研究熱點(diǎn)。激光器的輸出光束應(yīng)該在提高激光器的功率密度和滿足高效率激光器泵浦要求的同時(shí)滿足光纖的耦合效率，而目前VCSEL的輸出光束質(zhì)量較差，得到的圓形光斑與光纖的耦合效率不高。如何提高激光器的光束質(zhì)量進(jìn)而達(dá)到更高的耦合效率成為目前VCSEL亟待解決的問題。

另一方面，VCSEL工作在連續(xù)波時(shí)，由于電流的注入和器件結(jié)電阻、體電阻等原因使器件自身產(chǎn)生的熱量以及由于工作環(huán)境中溫度的升高導(dǎo)致的熱量，會(huì)導(dǎo)致VCSEL有源區(qū)在閾值處的溫度會(huì)比襯底高25-30℃[3]。在室溫26℃的基礎(chǔ)上，溫度的升高會(huì)使激射波長向長波長方向移動(dòng)，閾值電流增加[4]、模式不穩(wěn)定、光電轉(zhuǎn)換效率降低，此外，還會(huì)造成有源區(qū)各材料層間產(chǎn)生熱應(yīng)力，而使激光器的壽命受到影響。隨著工作環(huán)境溫度的升高，VCSEL的基本工作性能隨之降低，因此，溫度是VCSEL實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工的限制因素，解決激光器的溫度問題對(duì)提升器件工作性能及使用壽命具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義[6]。

由于VCSEL一般工作在高溫環(huán)境中，極少在低溫下工作。因此，擬通過腔模失諧技術(shù)來改善高溫性能；同時(shí)利用非周期性亞波長光柵實(shí)現(xiàn)VCSEL的超高光束質(zhì)量。

亞波長光柵結(jié)構(gòu)并不損害激光器的電特性和熱特性，反而由于其優(yōu)異的光束匯聚能力，顯著提高了VCSEL的出射光束質(zhì)量，亞波長光柵的存在使得VCSEL即使在高功率的輸出情況下也不會(huì)因?yàn)榍幻娉叽缧?、輸出功率密度高造成腔面損傷且光電轉(zhuǎn)換效率將會(huì)得到提升。器件輸出的高質(zhì)量圓形光斑更易與光纖耦合，同時(shí)降低了耦合的復(fù)雜性和成本。

腔模位置是激射波長的決定因素，采用增益-腔模失諧技術(shù)，即量子阱增益峰在室溫相對(duì)其腔模位置藍(lán)移的方法可使其在高溫環(huán)境下性能保持穩(wěn)定，我們擬選擇-15nm失配技術(shù)保證VCSEL腔模增益在80-90℃溫度區(qū)間保持在較高值，確保器件即使在高溫的工作環(huán)境中的性能仍能保持穩(wěn)定。

針對(duì)光束質(zhì)量：國內(nèi)方面，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所李特，寧永強(qiáng)等人對(duì)VCSEL的出光質(zhì)量進(jìn)行測量發(fā)現(xiàn)注入電流較小時(shí)，電流在有源區(qū)分布不均勻，形成環(huán)形分布遠(yuǎn)場，電流增大到3000mA時(shí)，有源區(qū)電流注入較均勻，此外較大的出射孔徑也會(huì)導(dǎo)致電流的分布不均勻，因此增大注入電流縮小出射孔徑，光束質(zhì)量將會(huì)得到足步改善；此后為了進(jìn)一步提高光束質(zhì)量他們又提出了6×6的微透鏡集成VCSEL陣列，遠(yuǎn)場的發(fā)散角<7°。國外方面，JT Blane，WK North等人提出了一種具有2.5um氧化限制孔徑以及不同蝕刻深度的光子晶體孔徑的850nm VCSEL，得到的光束質(zhì)量因子接近于1。美國的麻省理工研制出腔長為10mm的半導(dǎo)體激光器連續(xù)輸出為3W的1060nm單模激光輸出，最大的光電轉(zhuǎn)換率為45%。瑞士Oclaro研制出腔長為4.8mm的980nm激光器實(shí)現(xiàn)連續(xù)2W基膜高斯光束輸出，最大光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到63%。以上兩個(gè)案例光電轉(zhuǎn)換效率在一定程度上改善了光束質(zhì)量，但是由于腔長的減小導(dǎo)致腔面尺寸隨之減小，輸出功率密度高時(shí)，易造成VCSEL的腔面損傷，從而影響高質(zhì)量光束的輸出。針對(duì)以上提高VCSEL光束質(zhì)量的方法進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，雖然在一定程度上改善了出光質(zhì)量，但是輸出功率密度高時(shí)，容易造成VCSEL腔面損傷，從而對(duì)光束質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此，亞波長光柵集成VCSEL的結(jié)構(gòu)，使得激光器即使在高功率的輸出情況下也不會(huì)因腔面受損而影響光束質(zhì)量，反而由于光柵優(yōu)異的光束匯聚能力，顯著提高了VCSEL的光束質(zhì)量。

針對(duì)高溫性能：國內(nèi)方面，長春理工大學(xué)郝永琴等人提出一種實(shí)現(xiàn)VCSEL高溫性能的新工藝，即采用開環(huán)分布孔代替環(huán)形溝槽，解決了電極易斷線問題，從而使得器件表現(xiàn)出良好的高溫特性，當(dāng)溫度高達(dá)60℃時(shí)輸出功率可達(dá)到8mW]；長春理工大學(xué)王霞等人又提出了提高VCSEL高溫性能的另一種方法即在上DBR頂部添加0.5對(duì)層用來蝕刻環(huán)形出光孔的表面浮雕結(jié)構(gòu)。國外方面，美國的Adrian Keating，Alexis Black等人提出一種利用980nm光泵浦的1550nm的VCSEL，125℃時(shí)器件的輸出功率可達(dá)到75mW。俄羅斯自然科學(xué)院的Apollonor等發(fā)明了一種十分有效的熱交換器。這種交換器具有微通道和多孔構(gòu)造，這類多孔構(gòu)造的熱交換器能對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器有源區(qū)進(jìn)行散熱且其散熱均勻；Joseph Dix的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)激光器的熱特性進(jìn)行了全方位和系統(tǒng)性的探究，他們的研究結(jié)果顯示對(duì)稱結(jié)構(gòu)可明顯加強(qiáng)散熱效率。但是上述結(jié)構(gòu)并沒有從根本上解決問題，只能在一定的溫度范圍內(nèi)保證激光器的基本工作性能，一旦工作的環(huán)境溫度過高并不能進(jìn)行有效的散熱，散熱效率低且出射波長會(huì)出現(xiàn)偏移現(xiàn)象。通過對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的查閱分析，在高溫工作的情況下輸出功率雖然達(dá)到一定的要求，但是忽略了溫度對(duì)波長的影響，在溫度升高時(shí)波長都會(huì)發(fā)生紅移。因此，利用腔模失諧技術(shù)來提高VCSEL的高溫性能，在保證輸出功率的同時(shí)也能滿足工作波長的要求。

基于亞波長光柵的VCSEL在高速數(shù)據(jù)傳輸、以及在工業(yè)國防上都有重要的應(yīng)用價(jià)值，在激光顯示、通信、傳感等領(lǐng)域?qū)?huì)有更為明確的應(yīng)用前景。