蓝光垂直腔面发射激光器的结构优化

黄 晶，杨 辉，陈 鹏

（上饶职业技术学院，江西 上饶 334109）

1 蓝光VCSEL激光器研究综述

1977年，日本东京技术研究所提出了一种垂直腔面发射激光器（VCSEL），到1989年才在室温下实现连续波激射［1］。VCSEL光波不是平行晶圆表面发射，而是垂直晶圆表面发射，腔体由外延层的两个表面形成，并且从其中一个镜面垂直光输出［2－3］。VCSEL激光器具有体积小、阈值电流低、圆形输出斑点、易于集成大面积阵列等优点，广泛应用于工业技术领域。当前制备蓝光VCSEL激光器技术尚未成熟，2008年9月厦门大学报道了中国首次实现室温光泵浦条件下GaN基VCSEL的激射［4］，但较难稳定激光输出。其他的研究大都是研究长波长VCSEL激光器的应用，如，Wang等［5］研究了具有850 nm内腔亚波长光栅结构的可调谐VCSEL，Zhang等［6］研究了稳定偏振VCSEL的光束形状，王彪等［7］探讨了基于红外光谱技术的VCSEL型二氧化碳气体检测系统，王小龙等［8］使用内腔亚波长光栅设计850 nm可调谐垂直腔面发射激光器（VCSEL）结构，胡文杰等［9］分析了VCSEL在闪耀光栅作为外腔反馈时的直流和微波调制特性，为微波调制VCSEL及其他半导体激光器应用提供了参考。

当前，蓝光VCSEL激光器的制备仍面临巨大挑战。对制备材料的折射率、膜厚、有源区发光波长的精确控制十分困难，对生产设备的性能要求很高，研究成本高。采用Ta2O5／SiO2分布式布拉格反射镜来设计蓝光VCSEL激光器，研究周期数、膜厚偏差与腔长厚度偏差对蓝光VCSEL激光器的激光输出影响，为蓝光VCSEL激光器的工业生产提供指导性建议。

2 蓝光VCSEL激光器结构设计

2.1 分布式布拉格反射镜的设计分析

分布式布拉格反射镜（以下简称DBR）由多层高折射率和低折射率材料交替组成，每层的光学厚度为发射波长的1／4。以Ta2O5／SiO2DBR为例，如果使用有机化学气相沉积系统制备蓝光波段高反射率Ta2O5／SiO2的DBR，其结构由SiO2和Ta2O5两种材料交替而成，折射率分别为1.46和2.15。

设计的DBR中心波长以457 nm为例，SiO2的折射率n1＝1.46，Ta2O5的折射率n2＝2.15；令厚度分别为d1和d2，则由膜厚计算公式得

分别计算了不同周期的Ta2O5／SiO2DBR对457 nm中心波长的光的反射率。软件仿真建模如图1所示。

图1 DBR建模

1）设置好不同周期的Ta2O5／SiO2DBR；2）选择光源，光源选择是平面波，波长范围设置在350～600 nm，光源放置于Ta2O5／SiO2DBR下方，光从下往上打向Ta2O5／SiO2DBR；3）添加测试器，只需要检测模型的透射率和反射率，在DBR上方添加反射率测试器，透射率等于1减去反射率；4）仿真计算；5）仿真结果分析。

计算完成后将数据以txt文件格式导出，再导入绘图软件，得到不同周期DBR的反射率如图2所示。

图2 不同周期DBR的反射率曲线

从图2可以看出，当Ta2O5／SiO2DBR的周期数从4增加到10时，中心波长的反射率不断增大，即透射率不断减小。当周期数为4时，中心波长的透射率为0.17，反射率为0.83；当周期数为5时，中心波长的透射率为0.09，反射率为0.91；当周期数为6时，中心波长的透射率为0.06，反射率为0.94；当周期数为7时，中心波长的透射率为0.02，反射率为0.98；当周期数为8时，中心波长的透射率为0.01，反射率为0.99；当周期数为9时，中心波长的透射率为0.005，反射率为0.995；当周期数为10时，中心波长的透射率为0.002，反射率为0.998。为满足VCSEL激光器的要求，需要一块全反射镜和一块部分反射镜。在VCSEL激光器中，可以选择较高反射率的Ta2O5／SiO2DBR作为部分反射镜，选择高反射率的Ta2O5／SiO2DBR作为全反射镜。这样，457 nm附近波长的激光器谐振腔即能达成。

2.2 蓝光VCSEL激光器的设计分析

蓝光VCSEL器件的软件建模如图3所示。

图3 VCSEL器件的结构示意图

2.2.1 底层DBR周期数与VCSEL器件的输出光谱分析

当VCSEL的顶层Ta2O5／SiO2DBR为5个周期时，底层DBR依次为5、6、7、8、9、10个周期时，VCSEL激光器输出光谱如图4所示。由于VCSEL激光器底层反射镜是全反射镜，腔内的激光不会从底部DBR输出，几乎全部返回腔内产生光的自激振荡。底层Ta2O5／SiO2DBR的周期数应大于顶层高反射率DBR的周期数，保证激光器振荡。从图4可知，当底层DBR为10个周期时，其中心波长的光谱强度最强，随着周期数的减少，其光谱强度也减少。当顶层Ta2O5／SiO2DBR周期数为5时，底层DBR周期数越多，VCSEL激光器的输出光谱越强，VCSEL激光器的输出特性也越好。

图4 不同周期底层Ta2 O5／SiO2 DBR的输出光谱

2.2.2 顶层DBR周期数与VCSEL器件的输出光谱分析

当底层Ta2O5／SiO2DBR为10个周期时，顶层DBR依次为4、5、6、7、8个周期时，VCSEL激光器的输出光谱如图5所示。由于VCSEL激光器顶层反射镜是部分反射镜，腔内的光部分以激光形式输出，部分返回腔内产生光的自激振荡。顶层Ta2O5／SiO2DBR的周期数应小于底层高反射率DBR的周期数，才能保证激光器振荡。从图5可知，当顶层DBR由4个周期增加到8个周期时，其光谱强度先增加后减少，当周期数为6时，VCSEL器件的输出光谱强度最强。

综上，当底层Ta2O5／SiO2DBR周期数为10时，顶层DBR周期数为6，VCSEL激光器具有最强的输出光谱，此时VCSEL激光器具有较好的输出特性。

3 结论

谐振腔的底部需要选用周期较多的全反射DBR，顶部需要选用周期适当的部分反射DBR，可以得到较高性能的蓝光VCSEL激光器。该研究可为VCSEL激光器的工业生产提供相应的指导。