科学|垂直腔面发射半导体激光器的特性及其研究现状！( 二 )
本文插图
图1 VCSEL结构简图 。 （a）顶发射结构；（b）底发射结构
2.2 EP - VECSEL
EP - VECSEL的芯片包括电注入结构、有源区和DBR ， 与传统的VCSEL相比 ， 其引入的外腔结构增加了腔长 ， 如图2所示 。 谐振腔包括p - DBR、n - DBR以及外腔镜等3个镜面 ， 是一种由两个子谐振腔构成的耦合谐振腔 。 激光器芯片上生长的p - DBR、n - DBR以及夹在其中的有源区组成的谐振腔为有源腔 ， 提供激射所需的增益；由p - DBR及外腔镜组成的谐振腔可以通过控制不同传输模式的损耗 ， 抑制高阶横模 ， 从而改善光束质量 。
本文插图
图2 EP - VECSEL器件结构图
2.3 OP - VECSEL
OP - VECSEL与EP - VECSEL相比 ， 减少了电流注入部分 ， 其结构主要包括热沉、增益芯片、外腔输出镜（OC）、抽运光 。 抽运方式通常有两种：端面抽运和背端抽运；图3为端面抽运的OP - VECSEL结构 ， 抽运光反向注入且与输出光成一定夹角（一般约为45°）聚焦到增益芯片上 ， 如果角度太大会导致抽运光斑形状不均匀 ， 而角度太小可能阻挡激光振荡 。 其增益芯片为顶发射结构 ， 主要分为4个部分：衬底、DBR、MQWs增益区和窗口层 ， 可在衬底上通过分子束外延技术（MBE）或者金属化学物有机气相沉积（MOCVD）逐层生长而成 。 考虑激光器的散热问题 ， 通常把激光器芯片的顶层与热导率高的导热片键合后使用 ， 如光学金刚石片、光学SiC片或蓝宝石片等 。
本文插图
图3 OP - VECSEL端面抽运装置图
图4为背端抽运的OP - VECSEL及其增益芯片的结构 ， 与端面抽运不同 ， 其抽运光从后腔镜入射与输出光同轴同向 。 尽管抽运光斑不大 ， 但可获得更加均匀的圆形抽运光斑 ， 并且抽运光耦合系统相对容易架设 ， 结构紧凑 ， 更有利于激光的集成与封装 。 其增益芯片为底发射结构 ， 生长顺序与顶发射不同 ， 先在衬底上生长窗口层 ， 再生长MQWs ， 最后生长DBR 。 再将DBR焊接到金刚石或SiC散热片上 。 另外 ， 由于抽运光通过DBR后才进入增益区 ， 因此要尽量使DBR对抽运光透明 ， 对激光波长有高反射 。
本文插图
图4 OP - VECSEL背端抽运装置图
3 研究进展
3.1 VCSEL
【科学|垂直腔面发射半导体激光器的特性及其研究现状！】近红外波段的研究较多也较为成熟 ， 其中808 nm波段主要集中在高功率阵列输出方面 。 长期以来 ， Princeton Optronics公司致力于该方面的研究 ， 并于2013年获得了目前最高输出功率的808 nm VCSEL阵列 ， 应用于高速成像的高功率照明模块 ， 其输出功率高达4800 W ， 可以在准连续条件下工作 。
850 nm VCSEL阵列输出功率已经达到4 W 。 2015年 ， Watkins等报道了850 nm单管VCSEL的单频激光输出超过100 mW ， 为目前850 nm最高的单管输出功率 ， 据悉 ， 该小组正在努力研制该波段输出功率5 W的单管器件 。
980 nm波段VCSEL的研究最为成熟 。 在很长一段时间内 ， D′Asaro等获得的3 W 980 nm VCSEL一直是电抽运VCSEL单管输出的最高功率 。 2015年他们获得了发射波长为976 nm的高功率电抽运VCSEL ， 在20 ℃连续工作条件下 ， 功率达到5.5 W ， 刷新了单管VCSEL的最高功率 。 显然 ， 阵列是提高输出功率的有效途径 。 2012年 ， Princeton Optronics公司推出的980 nm高功率VCSEL面阵和面阵组合模块产品 ， 面阵组合模块连续输出超过14 kW ， 为目前980 nm阵列输出的最高功率 。
推荐阅读
- 科学|世界本来没有颜色？科学家发现大脑中的“调色板”机制
- 科学|在太空中，免疫系统是否有影响？
- 科学|为什么没有人被暗物质杀死？
- 科学,黑洞|满怀期待，第一张黑洞视界照片！
- 科学,NASA|56年前的NASA航天器将坠落地球 不会构成威胁
- 科学|既然所有的生命都要死亡，那么生命的意义是什么？
- 科学|中国将发射超强卫星，功能领先多国，将于明年发射
- 科学|哈勃：出现宇宙碰撞之前！“仙女银河”外围已撞上，影响地球吗？
- 科学|中子的寿命到底有多长？多种方法试错，谜题亟待解决！
- 科学|谁来保证阿波罗宇航员可以安全地登陆月球表面？