藍(lán)光垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

黃 晶，楊 輝，陳 鵬

（上饒職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 上饒 334109）

1 藍(lán)光VCSEL激光器研究綜述

1977年，日本東京技術(shù)研究所提出了一種垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL），到1989年才在室溫下實(shí)現(xiàn)連續(xù)波激射［1］。VCSEL光波不是平行晶圓表面發(fā)射，而是垂直晶圓表面發(fā)射，腔體由外延層的兩個(gè)表面形成，并且從其中一個(gè)鏡面垂直光輸出［2－3］。VCSEL激光器具有體積小、閾值電流低、圓形輸出斑點(diǎn)、易于集成大面積陣列等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域。當(dāng)前制備藍(lán)光VCSEL激光器技術(shù)尚未成熟，2008年9月廈門(mén)大學(xué)報(bào)道了中國(guó)首次實(shí)現(xiàn)室溫光泵浦條件下GaN基VCSEL的激射［4］，但較難穩(wěn)定激光輸出。其他的研究大都是研究長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSEL激光器的應(yīng)用，如，Wang等［5］研究了具有850 nm內(nèi)腔亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧VCSEL，Zhang等［6］研究了穩(wěn)定偏振VCSEL的光束形狀，王彪等［7］探討了基于紅外光譜技術(shù)的VCSEL型二氧化碳?xì)怏w檢測(cè)系統(tǒng)，王小龍等［8］使用內(nèi)腔亞波長(zhǎng)光柵設(shè)計(jì)850 nm可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）結(jié)構(gòu)，胡文杰等［9］分析了VCSEL在閃耀光柵作為外腔反饋時(shí)的直流和微波調(diào)制特性，為微波調(diào)制VCSEL及其他半導(dǎo)體激光器應(yīng)用提供了參考。

當(dāng)前，藍(lán)光VCSEL激光器的制備仍面臨巨大挑戰(zhàn)。對(duì)制備材料的折射率、膜厚、有源區(qū)發(fā)光波長(zhǎng)的精確控制十分困難，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的性能要求很高，研究成本高。采用Ta2O5／SiO2分布式布拉格反射鏡來(lái)設(shè)計(jì)藍(lán)光VCSEL激光器，研究周期數(shù)、膜厚偏差與腔長(zhǎng)厚度偏差對(duì)藍(lán)光VCSEL激光器的激光輸出影響，為藍(lán)光VCSEL激光器的工業(yè)生產(chǎn)提供指導(dǎo)性建議。

2 藍(lán)光VCSEL激光器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 分布式布拉格反射鏡的設(shè)計(jì)分析

分布式布拉格反射鏡（以下簡(jiǎn)稱(chēng)DBR）由多層高折射率和低折射率材料交替組成，每層的光學(xué)厚度為發(fā)射波長(zhǎng)的1／4。以Ta2O5／SiO2DBR為例，如果使用有機(jī)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)制備藍(lán)光波段高反射率Ta2O5／SiO2的DBR，其結(jié)構(gòu)由SiO2和Ta2O5兩種材料交替而成，折射率分別為1.46和2.15。

設(shè)計(jì)的DBR中心波長(zhǎng)以457 nm為例，SiO2的折射率n1＝1.46，Ta2O5的折射率n2＝2.15；令厚度分別為d1和d2，則由膜厚計(jì)算公式得

分別計(jì)算了不同周期的Ta2O5／SiO2DBR對(duì)457 nm中心波長(zhǎng)的光的反射率。軟件仿真建模如圖1所示。

圖1 DBR建模

1）設(shè)置好不同周期的Ta2O5／SiO2DBR；2）選擇光源，光源選擇是平面波，波長(zhǎng)范圍設(shè)置在350～600 nm，光源放置于Ta2O5／SiO2DBR下方，光從下往上打向Ta2O5／SiO2DBR；3）添加測(cè)試器，只需要檢測(cè)模型的透射率和反射率，在DBR上方添加反射率測(cè)試器，透射率等于1減去反射率；4）仿真計(jì)算；5）仿真結(jié)果分析。

計(jì)算完成后將數(shù)據(jù)以txt文件格式導(dǎo)出，再導(dǎo)入繪圖軟件，得到不同周期DBR的反射率如圖2所示。

圖2 不同周期DBR的反射率曲線(xiàn)

從圖2可以看出，當(dāng)Ta2O5／SiO2DBR的周期數(shù)從4增加到10時(shí)，中心波長(zhǎng)的反射率不斷增大，即透射率不斷減小。當(dāng)周期數(shù)為4時(shí)，中心波長(zhǎng)的透射率為0.17，反射率為0.83；當(dāng)周期數(shù)為5時(shí)，中心波長(zhǎng)的透射率為0.09，反射率為0.91；當(dāng)周期數(shù)為6時(shí)，中心波長(zhǎng)的透射率為0.06，反射率為0.94；當(dāng)周期數(shù)為7時(shí)，中心波長(zhǎng)的透射率為0.02，反射率為0.98；當(dāng)周期數(shù)為8時(shí)，中心波長(zhǎng)的透射率為0.01，反射率為0.99；當(dāng)周期數(shù)為9時(shí)，中心波長(zhǎng)的透射率為0.005，反射率為0.995；當(dāng)周期數(shù)為10時(shí)，中心波長(zhǎng)的透射率為0.002，反射率為0.998。為滿(mǎn)足VCSEL激光器的要求，需要一塊全反射鏡和一塊部分反射鏡。在VCSEL激光器中，可以選擇較高反射率的Ta2O5／SiO2DBR作為部分反射鏡，選擇高反射率的Ta2O5／SiO2DBR作為全反射鏡。這樣，457 nm附近波長(zhǎng)的激光器諧振腔即能達(dá)成。

2.2 藍(lán)光VCSEL激光器的設(shè)計(jì)分析

藍(lán)光VCSEL器件的軟件建模如圖3所示。

圖3 VCSEL器件的結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.1 底層DBR周期數(shù)與VCSEL器件的輸出光譜分析

當(dāng)VCSEL的頂層Ta2O5／SiO2DBR為5個(gè)周期時(shí)，底層DBR依次為5、6、7、8、9、10個(gè)周期時(shí)，VCSEL激光器輸出光譜如圖4所示。由于VCSEL激光器底層反射鏡是全反射鏡，腔內(nèi)的激光不會(huì)從底部DBR輸出，幾乎全部返回腔內(nèi)產(chǎn)生光的自激振蕩。底層Ta2O5／SiO2DBR的周期數(shù)應(yīng)大于頂層高反射率DBR的周期數(shù)，保證激光器振蕩。從圖4可知，當(dāng)?shù)讓覦BR為10個(gè)周期時(shí)，其中心波長(zhǎng)的光譜強(qiáng)度最強(qiáng)，隨著周期數(shù)的減少，其光譜強(qiáng)度也減少。當(dāng)頂層Ta2O5／SiO2DBR周期數(shù)為5時(shí)，底層DBR周期數(shù)越多，VCSEL激光器的輸出光譜越強(qiáng)，VCSEL激光器的輸出特性也越好。

圖4 不同周期底層Ta2 O5／SiO2 DBR的輸出光譜

2.2.2 頂層DBR周期數(shù)與VCSEL器件的輸出光譜分析

當(dāng)?shù)讓覶a2O5／SiO2DBR為10個(gè)周期時(shí)，頂層DBR依次為4、5、6、7、8個(gè)周期時(shí)，VCSEL激光器的輸出光譜如圖5所示。由于VCSEL激光器頂層反射鏡是部分反射鏡，腔內(nèi)的光部分以激光形式輸出，部分返回腔內(nèi)產(chǎn)生光的自激振蕩。頂層Ta2O5／SiO2DBR的周期數(shù)應(yīng)小于底層高反射率DBR的周期數(shù)，才能保證激光器振蕩。從圖5可知，當(dāng)頂層DBR由4個(gè)周期增加到8個(gè)周期時(shí)，其光譜強(qiáng)度先增加后減少，當(dāng)周期數(shù)為6時(shí)，VCSEL器件的輸出光譜強(qiáng)度最強(qiáng)。

綜上，當(dāng)?shù)讓覶a2O5／SiO2DBR周期數(shù)為10時(shí)，頂層DBR周期數(shù)為6，VCSEL激光器具有最強(qiáng)的輸出光譜，此時(shí)VCSEL激光器具有較好的輸出特性。

3 結(jié)論

諧振腔的底部需要選用周期較多的全反射DBR，頂部需要選用周期適當(dāng)?shù)牟糠址瓷銬BR，可以得到較高性能的藍(lán)光VCSEL激光器。該研究可為VCSEL激光器的工業(yè)生產(chǎn)提供相應(yīng)的指導(dǎo)。