system: [SYSTEM]

user: 3. 研究领域VCSEL 自VCSEL概念被提出以来，其各方面的研究受到了各个研究单位的垂青，尤其是如何优化其结构性能是一大研究热点，以下从不同优化VCSEL器件结构性能的方式来介绍近几年来VCSEL的研究现状。 VCSEL器件中电流分布的优化。中国科学院长春光学精密机械与物理研究对VCSEL研究成果匪浅，Jianwei Zhang等人 [ 9 ] 在2014年报告了波长约为980 nm的高峰值功率VCSE准阵列，在报告中通过优化电流分布来提高大孔径VCSEL的外部量子效率，并且开发了具有62 W峰值功率的单器件VCSEL作为阵列的基本单元。阵列采用4个高功率 VCSEL单管串联连接，尺寸为2.2 mm × 2.2 mm，在30 ns和5 kHz脉冲条件下，当电流为110 A时，输出功率大于210 W。 高世杰等人 [ 10 ] 在2016年通过优化波长为980 nm的VCSEL单元器件结构，有效抑制了宽面VCSEL结构中的非均匀电流分布，提高了单元器件的斜率效率，获得了直径为400 mm，峰值输出功率为62 W的VCSEL单元器件。在此基础上，研制出由单元器件组合封装而成的VCSEL“准列阵”子模块以及集成驱动电路的微型化VCSEL脉冲激光光源，该光源在脉冲驱动条件为30 ns，2 kHz，105 A条件下的峰值输出功率达到226 W，光脉冲宽度35 ns，中心波长979.4 nm，斜率效率达到2.15 W/A。 VCSEL器件中DBR的优化。张金胜等人 [ 11 ] 在2014年为了实现波长为808 nm VCSEL的高功率输出，对VCSEL的DBR结构材料进行了优化设计，分析了Al x Ga 1−x As材料中Al组分对于折射率与吸收的影响，并最终确定了DBR的高、低折射率材料为Al 0.2 Ga 0.8 As和Al 0.1 Ga 0.9 As，P面DBR对数为23对，N面DBR对数为39.5对。采用非闭合环结构制备2 × 2 VCSEL列阵。通过波形分析法对VCSEL列阵的功率进行了测量:在脉冲宽度为20 ns、重复频率为100 Hz、注入电流为110 A的条件下，最大峰值功率为30 W，在脉冲宽度为60 ns、重复频率为100 Hz、注入电流为30 A的条件下，最大功率为9 W。 Holger Moench等人 [ 12 ] 在2014年也对DBR进行了优化设计，使808 nm高功率VCSEL阵列的输出功率和输出效率均得到了提高，研究表明VCSEL性能的优化，可以通过平衡DBR反射镜各层中的电光损耗来实现，因为反射镜必须满足矛盾的要求：一方面，它们应当具有良好的电导来达到低电阻，这就要求提高掺杂来。另一方面，由于反射镜位于激光器的光路中，所以它们应当具有最小的光吸收损耗，这就要求在反射镜中低掺杂。他们在电和光损耗的平衡之后选择DBR对数的最佳数量，N面DBR对数为41对，P面DBR对数为20对，测试结果表明优化后的808 nm正装发射VCSEL最大输出功率增加了1.7倍，最大电光效率已经从30%提高到46%。 VCSEL器件中量子阱增益及腔模位置等材料结构参数的优化。张星等人 [ 13 ] 在2016年报道了自行研制的波长为894 nm的VCSEL以及基于此类器件的芯片级铯原子钟系统的应用实验结果，他们根据芯片级铯原子钟对VCSEL在特定高温环境下产生894.6 nm线偏振激光的要求，对器件的量子阱增益及腔模位置等材料结构参数进行了优化，确定增益–腔模失谐量为−15 nm，使器件的基本性能在高温环境下保持稳定，研制的VCSEL器件指标为：20~90℃温度范围内阈值电流保持在0.20~0.23 mA，0.5 mA工作电流下输出功率大于0.1 mW；85.6℃温度环境下激光波长894.6 nm，偏振选择比59.8:1；采用所研制的VCSEL与铯原子作用，获得了芯片级铯原子钟实施激光频率稳频的吸收谱线和实施微波频率稳频的相干布居囚禁谱线。 VCSEL器件的新型结构。Mohammad Yazdanypoor等人 [ 14 ] 在2014年提出了一种具有多氧化物层结构的新型VCSEL，这种新型结构的VCSEL设计了4个氧化层并且氧化层的孔径大小和厚度均不相同，具有12 mW单模光输出功率和0.7 mA阈值电流，表明了该种结构可以实现更高的单模光输出功率。 X.Yang等人 [ 15 ] [ 16 ] 在2015年报道了小尺寸单模无氧化层的VCSEL，该结构实现高性能的关键是控制光刻和消除氧化层能够减小热阻、电阻以及内部应力，尤其是比常规VCSEL更加容易控制发光孔经的大小，其在单模输出时具有高的功率转换效率，测试结果表明，当发光孔径为2 um时，能产生8 mW的单横模功率， 功率转换效率达到46%，斜率效率大于73%，阈值电流低至300 mA。当发光孔径为1 mm时，能产生大于5 mW的单模功率，功率转换效率达到37%，斜率效率大于79%，同时这种器件还具有低结温的优势。此类VCSEL器件可用于高速光互连和高功率阵列以及需要单模操作的传感器等一系列应用。 长春理工大学的冯源等人 [ 17 ] 在2014年设计并制备了一种波长为980 nm新型内腔接触式结构VCSEL，这种新型结构的设计是从降低等效电阻方面进行考虑，把P面电极设计成内腔接触式结构，在出光孔径为16 mm时，同时制备传统结构和新型结构两种器件并对其进行测试，传统结构VCSEL的阈值电流为11.5 mA，当注入电流为34 mA时，最大输出功率达到7.3 mW；新结构器件的阈值电流为9 mA，当注入电流为35 mA时，最大输出功率达到10.2 mW；新结构的阈值电流降低了21.7%，最大输出功率提高了28%。结果表明，采用这种新型内腔接触式结构能够降低体电阻，提高输出功率，进而可改善VCSEL的光电性能。 VCSEL器件其它方式的性能优化。Kai-Lun Chi等人 [ 18 ] 在2014年对波长为850 nm的单模VCSEL阵列进行了研究，他们通过使用具有适当阵列间距的Zn扩散孔，已经同时实现了具有高连续功率140 mW和窄发散角5˚的圆形对称图案。 Yuta Aoki等人 [ 19 ] 在2014年报道了质子注入型倒装高功率VCSEL阵列，该阵列集成了635个VCSEL单管，每个单管VCSEL在持续工作下的输出功率达到了380 mW，这些VCSEL单管由质子注入限定并在5 mm × 5 mm正方形中以175 mm间距的紧密排列，在准连续波的工作模式下该阵列实现了超过200 W的输出功率，这个结果说明质子注入在大功率VCSEL阵列制备上有很高的应用前景。 蔡丽娥等人 [ 20 ] 在2016年利用金属有机物气相沉积技术(MOCVD)在(0001)蓝宝石衬底上生长了GaN基VCSEL的多量子阱腔层结构，X射线衍射测量显示该多量子阱具有良好周期结构和平整界面，运用键合及激光剥离技术将该外延片制作成VCSEL，顶部和底部反射镜为极高反射率的介质膜DBR。在室温、紫外脉冲激光的泵浦条件下，观察到了VCSEL明显的激射现象，峰值波长位于447.7 nm，半高宽为0.11 nm，自发辐射因子约为6.0 × 10 −2 ，阈值能量密度约为8.8 mJ/cm 2 。 Hai-Han Lu等人 [ 21 ] 在2016年提出了一种基于56 Gb/s LiFi (Light Fidelity可见光无线通信)传输技术，该技术使用VCSEL发射源，能够在20米的自由空间链路上实现低误码率的、清晰的3维视图，这种创新性的技术在未来无线基础设施中将会发挥更大更重要的作用，进而有效的提高传输速率以及自由空间的传输距离。 张岩等人 [ 22 ] 在2017年发表的文章中表明，他们设计并制备了波长为795 nm的单模VCSEL，根据对VCSEL的光场和模式的分析和计算结果，采用MOCVD技术生长了外延结构，制备了不同有源区直径的氧化限制型VCSEL芯片并进行了测试。当有源区直径从6 um减小到3 um时，VCSEL芯片的边模抑制比(SMSR)由8.76 dB增加到34.05 dB，阈值电流由0.77 mA减小到0.35 mA。有源区直径为6、5、4和3 um的VCSEL芯片的输出功率分别为0.37、0.46、0.58和0.44 mW，有源区直径为4 um的VCSEL芯片的远场为圆形光束，发散角为15˚，85℃时3.5 um有源区直径的VCSEL芯片输出功率为0.125 mW，激射波长为795.3 nm，室温3 dB带宽大于8 GHz，满足了铷原子传感器对VCSEL单模光谱、输出功率及调制速率的要求。