光学微腔在半导体激光器中的应用研究
垂直腔面发射激光器(VCSEL)拥有广泛分布的工作波段，在光存储、生物医学诊断、光传感、数据通信和环境监测等方面都有应用。尤其是在3D感知领域的940nm波段的相关应用，更是引起了研发的热潮。由于普通氧化限制型VCSEL的电学、光学限制都是依靠氧化孔结构，而若要保证输出模式效果氧化孔径就要缩小。但小的氧化孔径会增加器件的串联电阻，导致器件发热从而限制输出功率、降低稳定性、损害器件使用寿命。因此，本论文在VCSEL中引入对横模起调控作用的缺陷型光子晶体微腔，该结构可以有效提高激光输出的光束质量。并且，通过设计不同导光机理的微腔结构，优化谐振腔品质因子、降低损耗，为器件的高功率输出创造条件。 由于缺陷型微腔对光的局域作用主要基于光子禁带特性和材料折射率差形成的波导特性，故本文所做的具体研究内容如下： 1)基于光子能隙导光机理型光子晶体微腔研究 利用光子晶体能带模拟，找到适当的占空比与晶格常数。并仿真不同结构微腔的模场分布情况、谐振波长总能量分布谱图及其对应品质因子大小，进行对比分析。模拟得，在保证光子的有效局域条件下，场分布与空气孔重叠较少的无过渡区域的梅花结构光子晶体微腔结构，在晶格常数422nm，占空比0.46时，在谐振波长940nm处品质因子达到3.82×106，场强度均匀地分布在周围缺陷部分。通过热分析发现，无过渡区域的牵牛花图形微腔具有更高的等效热导率，并且其非辐射复合效应最低，因此微腔温度更低。 2)基于折射率导光机理型光子晶体VCSEL结构研究 根据光波导理论，采用折射率等效模型，模拟所设计结构的模场分布、截止特性、有效模式面积、光限制因子和热性能。由仿真结果得到该机理下晶格常数5μm,空气孔半径1.5μm菱形结构的微腔，在谐振波长940nm处具有最佳的性能参数。并且在保证单模工作同时还具有113.341μm2的有效模场面积，光限制因子为0.9989，散热效果也更优。 3)半导体激光器器件制备工艺研究 根据理论分析结果，研究VCSEL制备工艺。采用合理的工艺参数及流程，同批次制备出不同结构微腔的激光器件，并对各器件测试，分析实验结果。由测得的P-I、I-V曲线、光谱以及远场光斑分布可知，本文设计的菱形微腔，在输出功率、远场发散程度及散热上都较传统单孔缺陷微腔有相当程度的优化提高。
垂直腔面发射激光器;光学微腔;光束质量;品质因子
长春理工大学
硕士
光学工程
石琳琳
2022
中文
TN248
2023-02-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）