基于亚波长光栅的VCSEL的前景分析

(聊城大学物理科学与信息工程学院 山东 聊城 252000)

自1977年，日本东京工业大学的伊贺健一提出垂直腔面发射半导体激光器(Vertical cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)的概念开始，VCSEL各个方面的研究到现在均获得了长足的进展[1]。VCSEL的光学谐振腔与半导体芯片的衬底垂直，能够实现芯片表面的激光发射，有低成本，低阈值电流，单波长工作稳定[2]、低发散角、窄线宽、圆形对称光斑、高光纤耦合效率、易高频调制、动态单模工作、无腔面阈值损伤、可实现一维、二维高密度集成等优点。随着VCSEL的研究深入以及应用需求的拓展，VCSEL在自由空间光通讯、光信息处理、全光通信和激光抽运等领域备受重视，为满足互联网的需求和光学存储密度的不断提高提供了一条新途径。此外，VCSEL在手机、消费性电子等领域也发挥着越来越重要的作用，在3D感测、激光显示、激光测距、微型原子钟、高密度存储、生物分析以及VR(虚拟现实)/AR(增强现实)/MR(混合现实)等方面得到广泛应用。VCSEL未来也将在物联网、5G通信、RF元件、ADAS(先进驾驶系统)等领域发挥重要作用，所以，高性能VCSEL的研究，引起了国内外研究人员的高度重视。但是随着VCSEL在各领域的广泛应用，日益表现出如下缺陷：

一方面，随着VCSEL外延材料质量和器件技术的发展，人们对光束质量提出了更高的要求，高功率瓦级VCSEL成为全球研究热点。激光器的输出光束应该在提高激光器的功率密度和满足高效率激光器泵浦要求的同时满足光纤的耦合效率，而目前VCSEL的输出光束质量较差，得到的圆形光斑与光纤的耦合效率不高。如何提高激光器的光束质量进而达到更高的耦合效率成为目前VCSEL亟待解决的问题。

另一方面，VCSEL工作在连续波时，由于电流的注入和器件结电阻、体电阻等原因使器件自身产生的热量以及由于工作环境中温度的升高导致的热量，会导致VCSEL有源区在阈值处的温度会比衬底高25-30℃[3]。在室温26℃的基础上，温度的升高会使激射波长向长波长方向移动，阈值电流增加[4]、模式不稳定、光电转换效率降低，此外，还会造成有源区各材料层间产生热应力，而使激光器的寿命受到影响。随着工作环境温度的升高，VCSEL的基本工作性能随之降低，因此，温度是VCSEL实现稳定工的限制因素，解决激光器的温度问题对提升器件工作性能及使用寿命具有极其重要的现实意义[6]。

由于VCSEL一般工作在高温环境中，极少在低温下工作。因此，拟通过腔模失谐技术来改善高温性能；同时利用非周期性亚波长光栅实现VCSEL的超高光束质量。

亚波长光栅结构并不损害激光器的电特性和热特性，反而由于其优异的光束汇聚能力，显著提高了VCSEL的出射光束质量，亚波长光栅的存在使得VCSEL即使在高功率的输出情况下也不会因为腔面尺寸小、输出功率密度高造成腔面损伤且光电转换效率将会得到提升。器件输出的高质量圆形光斑更易与光纤耦合，同时降低了耦合的复杂性和成本。

腔模位置是激射波长的决定因素，采用增益-腔模失谐技术，即量子阱增益峰在室温相对其腔模位置蓝移的方法可使其在高温环境下性能保持稳定，我们拟选择-15nm失配技术保证VCSEL腔模增益在80-90℃温度区间保持在较高值，确保器件即使在高温的工作环境中的性能仍能保持稳定。

针对光束质量：国内方面，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所李特，宁永强等人对VCSEL的出光质量进行测量发现注入电流较小时，电流在有源区分布不均匀，形成环形分布远场，电流增大到3000mA时，有源区电流注入较均匀，此外较大的出射孔径也会导致电流的分布不均匀，因此增大注入电流缩小出射孔径，光束质量将会得到足步改善；此后为了进一步提高光束质量他们又提出了6×6的微透镜集成VCSEL阵列，远场的发散角<7°。国外方面，JT Blane，WK North等人提出了一种具有2.5um氧化限制孔径以及不同蚀刻深度的光子晶体孔径的850nm VCSEL，得到的光束质量因子接近于1。美国的麻省理工研制出腔长为10mm的半导体激光器连续输出为3W的1060nm单模激光输出，最大的光电转换率为45%。瑞士Oclaro研制出腔长为4.8mm的980nm激光器实现连续2W基膜高斯光束输出，最大光电转换效率可达到63%。以上两个案例光电转换效率在一定程度上改善了光束质量，但是由于腔长的减小导致腔面尺寸随之减小，输出功率密度高时，易造成VCSEL的腔面损伤，从而影响高质量光束的输出。针对以上提高VCSEL光束质量的方法进行对比发现，虽然在一定程度上改善了出光质量，但是输出功率密度高时，容易造成VCSEL腔面损伤，从而对光束质量产生影响。因此，亚波长光栅集成VCSEL的结构，使得激光器即使在高功率的输出情况下也不会因腔面受损而影响光束质量，反而由于光栅优异的光束汇聚能力，显著提高了VCSEL的光束质量。

针对高温性能：国内方面，长春理工大学郝永琴等人提出一种实现VCSEL高温性能的新工艺，即采用开环分布孔代替环形沟槽，解决了电极易断线问题，从而使得器件表现出良好的高温特性，当温度高达60℃时输出功率可达到8mW]；长春理工大学王霞等人又提出了提高VCSEL高温性能的另一种方法即在上DBR顶部添加0.5对层用来蚀刻环形出光孔的表面浮雕结构。国外方面，美国的Adrian Keating，Alexis Black等人提出一种利用980nm光泵浦的1550nm的VCSEL，125℃时器件的输出功率可达到75mW。俄罗斯自然科学院的Apollonor等发明了一种十分有效的热交换器。这种交换器具有微通道和多孔构造，这类多孔构造的热交换器能对大功率半导体激光器有源区进行散热且其散热均匀；Joseph Dix的研究团队对激光器的热特性进行了全方位和系统性的探究，他们的研究结果显示对称结构可明显加强散热效率。但是上述结构并没有从根本上解决问题，只能在一定的温度范围内保证激光器的基本工作性能，一旦工作的环境温度过高并不能进行有效的散热，散热效率低且出射波长会出现偏移现象。通过对相关文献的查阅分析，在高温工作的情况下输出功率虽然达到一定的要求，但是忽略了温度对波长的影响，在温度升高时波长都会发生红移。因此，利用腔模失谐技术来提高VCSEL的高温性能，在保证输出功率的同时也能满足工作波长的要求。

基于亚波长光栅的VCSEL在高速数据传输、以及在工业国防上都有重要的应用价值，在激光显示、通信、传感等领域将会有更为明确的应用前景。