单模表面浮雕结构垂直腔面发射激光器的特性研究-物理电子学专业论文.docx

I I 摘 要 垂直腔面发射激光器（VCSEL）是一种新型半导体激光器，它具有出光方向垂直 于衬底、易于实现二维阵列结构、阈值电流低、发光效率高、发散角小等优点，使它 在光通信、光互联、光信息处理以及各种高速并行网格等方面有着广泛的应用。虽然， VCSEL 的出光功率、转换效率、传输速率、可靠性方面得到了不断的改善，但是由于 器件多横模激射的缺点，限制了它在激光打印、高速光通信、自由空间光互联、激光 测距等领域的应用。对于传统氧化物限制型 VCSEL 来说，氧化孔径大于 3.5-4μm 时 器件就不能实现单模工作，而高功率又需要较大的孔径。表面浮雕结构是一种可以实 现大孔径、高功率、单模、氧化物限制型 VCSEL 的方法。通过在 VCSEL 的上分布布 拉格反射镜(DBR)表面刻蚀出一定深度，可以增加高阶模的损耗，达到模式选择的作 用，实现单模激射。以往对表面浮雕结构的研究在于实现基横模 VCSEL，本论文则提 出一种新结构，来实现单一阶横模的工作，该结构的特点在于器件可以通过加大注入 电流来实现大功率单模的激射，激光的远场发散角较小。本文的研究内容主要包括： 1 对 VCSEL 的基本结构和理论进行介绍。 2 提出一种新型的表面浮雕结构 VCSEL 结构，并通过软件对该结构进行模拟，验 证其设计的合理性。 3 对器件制备的流程进行设计，优化了器件制备过程中的关键技术：刻蚀技术、 选择氧化技术以及 P 面电极制备技术。 4 对单模表面浮雕结构垂直腔面发射激光器进行了测试与分析。 关键字: 单横模；表面浮雕结构；PICS3D；垂直腔面发射激光器 II II ABSTRACT The vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) isa new type of semiconductor laser. Due to light emittion perpendicular to the substrate, easy integration in two-dimensional array, low threshold current, high efficiency, low divergence etc, it has been extensively used in optical communication, optical interconnection, optical information processing and high speed parallel mesh etc. Although its output power, conversion efficiency, reliability and transmission rate have been improved, the disadvantage of multi-transverse mode emission limits its applications in laser print, high speed optical communication, free space optical interconnection, laser ranging. For a typical oxide confined VCSEL, the device cannot achieve single-mode operation whenits aperture larger than 3.5-4μm, which limits output power. Surface relief structure is a method to achieve high power single mode VCSEL. Through etching a certain depth on the surface of upper Distributed Bragg reflector (DBR) of VCSEL, the loss of high order modes can be increased. Thus the single-mode can achieve through mode selection. A new structure VCSEL to achieve the single first-order transverse mode emission is presented in this paper. The advantages of the structure are its high