1 长春理工大学物理学院 高功率半导体激光国家重点实验室, 吉林 长春 130022
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 发光学及应用国家重点实验室, 吉林 长春 130033
3 吉光半导体科技有限公司, 吉林 长春 130031
如今,人们对研究耦合腔面发射激光器结构的兴趣逐渐增加。这种结构通过向主腔施加调制电的同时向每个反馈腔施加直流电来实现带宽提升。然而,单独驱动主腔对器件性能的影响尚未得到深入研究。为了更全面地了解耦合腔激光器,我们设计并制备了边长为30 μm×30 μm的方形横向耦合腔VCSEL,并研究了在方形横向耦合腔中单独驱动主腔时器件性能的变化。室温下,-3 dB带宽达30.1 GHz,在非归零调制下,在背对背传输速率40 Gbit/s时获得清晰的眼图,相对强度噪声值为-160 dB/Hz。证明了反馈腔在不加驱动的条件下仍会对主腔的性能提供正向作用。设计的TCC-VCSEL器件只需要一个电源驱动,使其适用于高密度集成,为封装集成应用提供了新的思路。
垂直腔面发射激光器 横向耦合腔 高速 vertical-cavity surface-emitting lasers(VCSEL) transverse coupled cavity high-speed
1 曲阜师范大学物理工程学院,山东 济宁 273165
2 潍坊先进光电芯片研究院,山东 潍坊 261000
3 中国科学院半导体研究所固态光电信息技术实验室,北京 100083
4 潍坊大学物理与电子信息学院,山东 潍坊 261061
为了改善用于铷原子钟的795 nm垂直腔面发射激光器(VCSEL)的偏振稳定性,研究了不同氧化孔径和椭圆度对VCSEL偏振性能的影响。利用COMSOL Multiphysics的波动光学频域模块模拟了不同氧化孔径对有源区谐振光强的影响。结果表明,当氧化孔径为3.5~4.0 μm时,有源区的谐振强度最高。采用可实时观察的湿法氧化系统,研究了氧化温度对氧化速率和氧化孔椭圆度的影响。随着注入电流的增加,三种不同椭圆氧化孔的VCSEL表现出不同的模式特性、偏振特性和偏振角旋转特性。测试结果表明,带有长轴径为3.7 µm、椭圆度为1.7的椭圆氧化孔的VCSEL性能最佳。在85 ℃下,当注入电流为1.5 mA时,输出功率为0.86 mW,激光波长为795.4 nm,边模抑制比(SMSR)为43 dB,线宽为65 MHz,正交偏振抑制比(OPSR)为23.8 dB。在0.6~2.7 mA的范围内,VCSEL的主偏振方向保持不变。
激光器 垂直腔面发射激光器 氧化孔径 湿法氧化 正交偏振抑制比 窄线宽
1 山东大学信息科学与工程学院激光与红外系统集成技术教育部重点实验室,山东 青岛 266237
2 厦门市三安集成电路有限公司,福建 厦门 361000
垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有成本低、速率高、功耗低和易于集成等优点,在短距离数据通信等领域具有广泛的应用。随着使用寿命、失效率等要求的不断提高以及器件应用需求的不断增大,VCSEL的可靠性受到了人们的广泛关注。研究发现,VCSEL失效的主要原因与位错的产生和扩展有关。为了提高器件的可靠性,对VCSEL内位错形成的原因进行分析,并系统介绍了位错扩展的动态特性和内在机理。
激光器 垂直腔面发射激光器 可靠性 位错 形成原因 扩展特性 激光与光电子学进展
2023, 60(5): 0514004
1 中国科学院半导体研究所光电子器件国家工程研究中心,北京 100083
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院,北京 100049
基于微机电系统(MEMS)的850 nm可调谐垂直腔面发射激光器(VCSEL),设计了一种双曲线梁结构,以提升器件机械和调谐特性。通过分析传统等截面梁结构的受力情况,提出了双曲线结构优化设计,将梁结构端面的面积增大从而降低最大应力。理论仿真结果表明:优化后器件上反射镜的最大偏移量基本保持不变,支撑梁上下表面的最大应力分别降低了23.4%和17.0%,谐振频率增大了7.9%;当MEMS-VCSEL分别为半导体腔主导(SCD)结构和空气腔主导(ACD)结构时,波长调谐范围分别为16.6 nm和42 nm。该优化方式的优势在于不需要改变激光器的结构,同时可与其他优化方式兼容,具有一定的应用前景。
激光器 垂直腔面发射激光器 可调谐激光器 微机电系统 机械特性 调谐特性
1 山东大学 激光与红外系统集成技术教育部重点实验室, 山东 青岛 266237
2 厦门市三安集成电路有限公司, 福建 厦门 361000
3 中国科学院半导体研究所, 北京 100083
4 山东大学 信息科学与工程学院, 山东 青岛 266237
氧化型垂直腔面发射激光器(VCSEL)在数据通信等领域具有广泛的应用,然而氧化型VCSEL是一种静电敏感型器件,静电放电(ESD)是导致其失效的主要原因之一,并且器件失效后很难判断问题的原因。本文对氧化型VCSEL进行了包括人体模式(HBM)、机器模式(MM)和元件充电模式(CDM)3种不同的ESD模式和过度电应力(EOS)冲击,以分析其具体失效原因。其中,在HBM模式中研究了不同极性的电压冲击对应的失效特征,然后分别采用反向I-V、正向L-I-V测试、发光显微镜(EMMI)和透射电子显微镜(TEM)等手段进行表征。结果表明,不同ESD模式表现出截然不同的损伤电压阈值,氧化型VCSEL容易遭受HBM和MM损伤,而对CDM模式不敏感。研究发现和ESD失效关联的特性及缺陷特征包括反向漏电增加、出光功率衰减、EMMI亮点等,而TEM作为最为直接有效的分析手段,不同ESD模式表现出不同的缺陷大小和位置等性质。这些研究结果有助于区分ESD故障和其它故障机制,并且能够精确地判断出引起失效的具体ESD模式,具有重要的意义。
垂直腔面发射激光器 静电放电(ESD) 失效分析 vertical cavity surface emitting lasers electrostatic discharge failure analysis
1 中国科学院半导体研究所光电子器件国家工程中心,北京 100083
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院,北京 100049
光子晶体垂直腔面发射激光器(PCVCSEL)是在传统的氧化限制型垂直腔面发射激光器(VCSEL)的基础上引入二维光子晶体结构的一种新型激光器,可以实现大功率的基横模输出。提出了PCVCSEL结构的合理设计方法,当归一化频率位于2.405附近时实现了稳定的基横模输出。通过二维等效折射率模型分析对比了基横模PCVCSEL和缩小氧化孔径实现基横模的传统VCSEL,前者可以实现更大的横向限制并具备更宽的光场宽度。通过热电耦合模型分析了PCVCSEL的电流分布和温度分布,证明电流和热量主要集中在氧化限制孔所对应的区域。成功制备出了单模输出功率达到1.6 mW的PCVCSEL,其激射波长为932 nm。
激光器 垂直腔面发射激光器 光子晶体 基横模 二维等效模型 热电耦合 光学学报
2022, 42(14): 1414002
1 南京信息工程大学电子与信息工程学院,江苏 南京 210044
2 无锡学院电子信息工程学院,江苏 无锡 214105
随着信息快速增长时代的来临,人们对于数据带宽的需求不断提升,垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers,VCSEL)作为一种新型光通信器件得到广泛应用。从半导体激光器寄生电路出发,分析了VCSEL内部光电转换过程,考虑本征激光器以及外部封装寄生特性,分别搭建了大信号和小信号等效电路模型,并使用Python语言以及Pspice软件进行仿真。在大信号模型中分析自发辐射系数和光限制因子对阈值电流的影响, 在小信号模型中讨论寄生网络参数对调制响应带宽的影响。仿真结果表明,通过对自发辐射系数、光限制因子以及寄生网络参数的调节,可以降低VCSEL器件的阈值电流,提高调制带宽。
垂直腔面发射激光器 寄生参数 速率方程 等效电路 频响特性 激光与光电子学进展
2022, 59(5): 0514005