表面液晶-垂直腔面發射激光器陣列的熱特性*

王志鵬 張峰 楊嘉煒 李鵬濤 關寶璐

(北京工業大學信息學部, 光電子技術教育部重點實驗室, 北京100124)

(2019 年 11 月 25日收到; 2019 年 12 月 24日收到修改稿)

液晶與垂直腔面發射半導體激光器(VCSELs)陣列結合可實現波長可調諧、偏振精確控制等, 同時液晶的引入也會改變垂直腔面發射半導體激光器陣列的熱特性, 本文設計了表面液晶-垂直腔面發射激光器陣列結構, 并開展了陣列的熱特性實驗研究. 對比分析了向列相液晶層對VCSEL陣列熱特性的影響, 實驗結果表明, 1 × 1, 2 × 2, 3 × 3三種表面液晶-VCSEL陣列的閾值電流溫度變化率最高可降低 23.6%, 熱阻降低26.75%; 同時, 激光器陣列各發光單元之間的溫度均勻性顯著提高, 出光孔與周圍溫差小于0.5 ℃. 綜上所述,VCSEL陣列中液晶層的引入不僅大大加速激光器陣列單元熱量擴散, 而且降低了有源區結溫, 提高了VCSELs激光器陣列熱特性, 為實現高光束質量的單偏振波長可控VCSEL激光器陣列打下了良好的理論和實驗基礎.

1 引言

隨著信息化時代科學技術的高速發展, 高性能垂直腔面發射激光器(VCSEL)陣列已成為面向高速高密度集成的光互聯核心器件, 其具有自身獨特的圓形對稱光斑、小體積、低功耗和高密度陣列集成[1?3]等特點, 因此, 易制成大功率陣列激光器件[4],并具有重要的商業和軍事價值并被廣泛地應用到固體激光器抽運、激光引信、高速脈沖測距、紅外照明及倍頻激光光源[5?8]等領域中. 然而, 隨著科學技術的不斷發展, 對激光器陣列光源光束質量提出了越來越高的要求, 例如在多光束可操控光源、矢量圖像處理、光學相控陣及空間光調制傳感等高新技術領域應用中, 往往需要VCSEL陣列光束具有高功率、窄線寬的同時, 還要實現波長可調諧、波數控制、偏振精確控制等[9], 因此, 在實現更高光束質量控制中, 液晶-VCSEL受到人們越來越多的關注. Castany等[10]通過將液晶置于諧振腔內, 制備了1550 nm腔內液晶波長可調諧器件, 實現了調諧電壓小于3 V時的波長調諧范圍大于30 nm的偏振光輸出; Pan等[11]提出了一種將相干耦合VCSEL陣列與液晶光學相控陣直接集成的電控光束控制芯片; Frasunkiewicz等[12]仿真模擬了波長調諧范圍68.5 nm的液晶可調諧器件; Panajotov等[13,14]將VCSEL芯片置于膽甾相液晶盒內, 在理論上研究了光譜、閾值以及偏振特性, 并證明了在一定的溫度控制下, 能實現圓偏振光輸出, 同時還將VCSEL芯片置于液晶盒內制備外腔液晶可調諧激光器, 實現了激射波長、偏振態和激射閾值的可變性[15]. 本實驗室前期開展了一系列表面液晶-VCSEL研究工作, 實驗發現表面液晶層的引入,有效擴大了VCSEL的正交線偏振態穩定范圍和光功率差, 增加了線偏振光的各向異性[16]. 雖然液晶與VCSEL陣列結合可以實現波長可調諧、波數控制、偏振精確控制等, 但對于VCSEL陣列而言,其具有高密度陣列集成的特點, 會有十分明顯的熱集聚效應[17], 因此, 本文在前期工作基礎上, 針對表面液晶-VCSEL陣列器件, 詳細研究了液晶的引入對VCSEL陣列的熱特性造成的影響, 研究發現液晶層的引入不僅大大改善了液晶VCSEL陣列的熱特性, 降低了由于集成陣列單元而引起的閾值-溫度系數, 而且提高了熱飽和輸出功率, 使得激光器陣列表面溫度均勻性小于0.5 ℃, 為實現高光束質量的單偏振波長可控VCSEL激光器陣列打下了良好的理論和實驗基礎.

2 器件結構設計與制備

圖1為表面液晶-VCSEL陣列的結構示意圖,本實驗所用器件結構采用金屬有機物化學氣相淀積技術在n型GaAs襯底上外延生長而成. 從GaAs襯底自下而上依次生長n型分布布拉格反射鏡(DBR)、有源區、氧化限制層、p型DBR和歐姆接觸層. 其中n型(Si摻雜) DBR由34.5對Al0.90Ga0.10As/Al0.12Ga0.88As組成, 有源區由 3對 6 nm 厚的GaAs量子阱和8 nm厚的Al0.30Ga0.70As勢壘構成, 其中心波長為 850 nm, p型(C 摻雜)摻雜DBR由 21對 Al0.90Ga0.10As/Al0.12Ga0.88As組成.而位于有源區和p型DBR之間的氧化限制層(Al0.98Ga0.02As)厚 30 nm, 經過濕氮氧化工藝后形成AlxOy層, 從而形成電流和光場的分布限制.

在VCSEL陣列的制備過程中, 首先通過光刻技術在外延片上表面獲得圓柱形臺面的光刻圖形,然后使用DBR腐蝕液(體積比為甲醇∶磷酸∶雙氧水 = 3∶1∶1)通過濕法腐蝕得到圓柱形臺面, 腐蝕深度 2.7 μm, 暴露出氧化限制層側壁. 采用濕氮氧化法在400 ℃高溫下對Al0.98Ga0.12As層橫向氧化, 得到直徑20 μm的氧化限制孔. 再通過等離子增強化學氣相淀積在外延片上淀積生長一層300 nm厚的SiO2作為電絕緣層, 再次光刻腐蝕,去掉出光孔上方的 SiO2. 第三次光刻并濺射Ti/Au 150 ?/3000 ?, 剝離工藝獲得出光孔和注入電極, 減薄襯底至 150 μm 后, 濺射 AuGeNi/Au 500 ?/3000 ?, 作為背面電極, 并在 270 ℃ 條件下進行35 s退火處理, 使電極與半導體材料形成良好的歐姆接觸. 最后利用光刻型聚酰亞胺(PI)在注入電極上制作5 μm深凹槽, 涂布液晶.

圖1 表面液晶-VCSEL陣列結構示意圖(a)橫截面圖; (b)俯視圖Fig. 1. Structure of independent addressable surface liquid crystal VCSEL array: (a) Cross section; (b) top view.

3 實驗結果和分析

在制備完成表面液晶-VCSELs陣列的基礎上,通過測量引入液晶前后 1 × 1, 2 × 2, 3 × 3三種陣列的特征溫度、單管閾值電流溫漂率、斜率效率、飽和光功率、熱阻、熱串擾和溫度分布等參數,對比分析液晶的引入對VCSEL陣列熱特性的影響.

半導體激光器的特征溫度T0是表征半導體激光器溫度穩定性的一個重要參數, 它與激光器所使用的材料與結構有關[18].T0越高, 激光器的溫度穩定性越好, 即溫度對激光器特性的影響越小. 可以通過Ith隨T的變化關系計算出器件的特征溫度T0[19], 其中Tr為室內溫度,為室溫下的閾值電流, 閾值電流Ith可通過P-I曲線二次微分法確定, lnIth隨溫度T的變化如圖2內圖例插圖所示,經計算引入液晶前后不同溫度下各陣列的特征溫度及閾值電流溫漂率如圖2所示, 其特征溫度分別由無液晶時的 187, 292和 346 K 提高到 288, 396和 438 K, 增幅可達 54%, 40.43% 和 26.59%, 由此可見, 液晶的引入增大了激光器陣列的特征溫度.這是由于液晶取代空氣成為激光器陣列各發光單元之間的導熱介質, 同時, 液晶分子平行于激光器陣列表面分布(液晶的平行熱導率k//為0.22 W/(m·K)[20], 25 ℃ 時空氣的熱導率kair, 25 ℃為 0.026 W/(m·K)). 液晶通過較大的熱導率加速了有源區熱量擴散, 減少有源區內部的非輻射復合, 使激光器陣列獲得了較大的特征溫度. 當陣列的溫度從25 ℃加熱至70 ℃時, 激光器內部損耗與有源區熱載流子泄漏隨之增加, 導致閾值電流變大, 而引入液晶能顯著地降低陣列中單管的閾值電流溫漂率, 正如圖2所示, 當熱損耗功率不變時,在液晶的作用下使得有源區熱量擴散增快, 減緩結溫的增長, 因此, 液晶VCSEL陣列閾值電流溫漂率顯著降低.

圖2 引入液晶前后各陣列的特征溫度和閾值電流溫度漂移率Fig. 2. Characteristic temperature and threshold current temperature drift rate of each array before and after introducing liquid crystal (LC).

研究表明, 液晶溫度可達到清亮點以上360 K[21],并且隨著溫度的升高, 液晶將進一步改善VCSEL光束輸出雙穩態特性. 圖3為不同溫度下表面液晶VCSEL陣列斜率效率變化曲線. 從圖3(a)可知, 對于無液晶的 1 × 1, 2 × 2, 3 × 3 VCSEL陣列, 從 25 ℃ 到 70 ℃, 其斜率效率隨溫度的升高顯著降低, 其中對于3 × 3陣列的斜率效率減幅多達26.86%, 由此可見溫度對斜率效率的影響隨著陣列數目的增大而加劇. 而對于液晶VCSEL陣列, 如圖3(b)所示, 三種陣列隨溫度的升高斜率效率降低, 但其與未引入液晶的三種陣列相比, 三種陣列的斜率效率均有所提升, 且斜率效率的下降速率明顯變緩, 其中對于3 × 3陣列改善最為明顯,斜率效率的減幅由原來無液晶時的26.86%降低至15.16%, VCSEL陣列由于其內部熱量積聚增多, 引起結溫升高, 內部損耗增大, 故而造成斜率效率的下降, 液晶層的引入顯著降低了陣列溫度對斜率效率的影響, 進而改善管芯散熱環境, 降低工作溫度從而提高功率轉換效率[22].

圖3 不同溫度下各陣列斜率效率(a) 無液晶; (b)有液晶Fig. 3. Slope efficiency of each array at different temperatures: (a) Without liquid crystal; (b) with liquid crystal.

圖4 為引入液晶前后不同溫度下液晶VCSEL陣列的電流P-I特性曲線及飽和光功率光譜圖.與 1 × 1單管 VCSEL 相比, 液晶 VCSEL 飽和光功率分別提升了約 4%, 對于 2 × 2陣列在 25,45和65 ℃這三種溫度下, 引入液晶前的飽和光功率分別為 36.51, 33.68, 31.19 mW, 引入液晶后飽和光功率分別提升了 4.8%, 4.3%, 4.2%, 波長變化Dl< 0.6 nm; 3 × 3陣列在 25, 45和 65 ℃ 這三種溫度下, 引入液晶前的飽和光功率分別為47.24,42.94, 40.54 mW, 引入液晶前后的飽和光功率分別提升了 4.6%, 3.7%, 3.2%, 波長變化 Dl< 0.6 nm;通過對比上述數據可知, 液晶VCSEL激光器陣列的飽和光功率均得到有效提升, 這是因為隨著環境溫度的升高, 有源區內部損耗增加, 內外量子效率降低, 導致輸出光功率下降, 而液晶層的引入有效地降低了有源區的溫度, 使其內部損耗和熱載流子的泄漏減少, 因此, 在輸入電功率相等時可獲得更大的光功率和穩定的波長輸出, 液晶-VCSEL陣列熱阻對比如圖5所示.

圖4 引入液晶前后不同溫度下三種陣列的脈沖電流 P-I曲線及室溫時飽和光功率光譜圖(a), (d), (g) 1 × 1; (b), (e), (h) 2 × 2;(c), (f), (i) 3 × 3Fig. 4. The P-I curves of each array at different temperatures before and after coating with LC and spectra at saturated optical power at room temperture (a), (d), (g) 1 × 1; (b), (e), (h) 2 × 2; (c), (f), (i) 3 × 3.

由圖5可知, 對于無液晶的 1 × 1, 2 × 2, 3 × 3 VCSEL陣列, 其熱阻值隨陣列數目的增多而增加,而引入液晶后的三種陣列, 其熱阻值與三種無液晶陣 列 相 比 分 別 下 降 了 26.75%, 22.09%, 14.70%.液晶-VCSEL陣列表面溫度分布如圖6所示, 在無液晶情況下, 激光器出光孔與其四周的溫差較大,在 2.3—2.6 ℃ 之間, 而引入液晶后, 其溫差縮小至0.5 ℃以下. 這是因為液晶層能有效地將陣列有源區的熱量導引至器件表面, 進而增加熱量的橫向傳導, 減小出光孔與臺面之間的溫差, 使得熱量在出光孔與臺面之間微小的距離內傳導時間極短,更有利于激光器陣列溫度均勻分布.

圖5 引入液晶前后各陣列熱阻比較Fig. 5. Thermal resistance of each array before and after coating with LC.

4 結論

本文通過對比分析了表面液晶VCSEL激光器陣列熱特性的變化與影響, 研究發現激光器陣列表面引入液晶后, 1 × 1, 2 × 2, 3 × 3三種陣列的特征溫度分別增大了54%, 40.43%和26.59%; 從25 ℃到70 ℃, 三種表面液晶VCSEL激光器陣列的閾值電流溫度變化率最高可降低23.6%, 熱阻降低26.75%, 激光器陣列各發光單元之間的溫度均勻性顯著提高, 出光孔與周圍溫差由原來的2.6 ℃下降至0.5 ℃以下, 陣列表面溫度分布更均勻, 大大提高了表面液晶VCSEL激光器熱特性. 綜上所述, 在VCSEL陣列中引入液晶層, 可以加速激光器陣列單元熱量擴散, 降低有源區結溫, 可以實現更高的熱穩定性和更優器件性能.

圖6 激光器陣列出光孔與周圍溫差
Fig. 6. Temperature difference between the optical hole of laser array and its surroundings.

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