1 曲阜师范大学物理工程学院，山东 曲阜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重点实验室，北京 100083
4 潍坊学院物理与电子信息学院，山东 潍坊 261061
为了提高1060 nm垂直腔面发射激光器（VCSEL）的性能，本文对大功率1060 nm VCSEL进行了理论模拟和实验研究。计算得到红移速度为0.40 nm/K，据此确定增益和腔模失配量为-20 nm。对比分析了6种不同InGaAs组分和厚度的量子阱，以及3种不同势垒材料的增益特性和输出特性，模拟结果表明，应变补偿的InGaAs/GaAsP量子阱有源区在温度稳定性、阈值电流以及功率方面更有优势。对P型分布式布拉格反射镜（DBR）进行优化设计，优化DBR渐变层厚度和对数，有助于获得更好的输出特性。采用金属有机化学气相沉积生长了InGaAs/GaAsP应变补偿量子阱结构的VCSEL外延片，并制备了单管和阵列VCSEL，实验数据和理论分析基本吻合。实验测得，288单元VCSEL阵列在4.5 A电流下，连续输出功率为2.62 W，最高电光转换效率为36.8%，5 mm×5 mm VCSEL阵列准连续条件下（脉宽为100 μs，占空比为1%），且在100 A电流下，获得峰值功率为53.4 W。
垂直腔面发射激光器 高功率 应变补偿 分布式布拉格反射镜 效率
1 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院大学杭州高等研究院 物理与光电工程学院，浙江 杭州 310024
常规的分布式布拉格反射（DBR）半导体激光器中，增益区域所对应的自由谱间距应大于DBR高反射率带宽的1/2，以获得稳定的单模激射。该条件限制了DBR激光器的阈值和功率特性。文章首次提出并实现了基于DBR选模的太赫兹量子级联激光器（THz-QCL），并突破了上述限制。作者所实现的THz-QCL采用脊波导结构，利用解理腔面和DBR反射镜构成谐振腔，利用有源区增益谱较窄的特点，通过调整DBR反射率谱使增益谱与DBR高反射带在频域中部分重叠，从而获得了单模激射的THz-QCL。该方案使得DBR高反射带显著宽于自由谱间距，即显著提高了激光器中增益区域的长度，从而降低阈值并提高功率特性。实验上，作者研制出增益区域长达3.6 mm的DBR激光器，单模激射的频率为2.7 THz，边模抑制比达到25 dB，该激光器的阈值和温度特性与相同材料制备的法布里-泊罗腔多模激光器相当。文章中的工作为实现高性能单模太赫兹量子级联激光器提供了新的研究思路。
半导体激光器 量子级联 太赫兹 分布式布拉格反射镜 单模 光子禁带 semiconductor lasers quantum cascade terahertz distributed Bragg reflector single mode photonic band gap 崔壮壮 1,3,4刘清权 1,2,3谢茂彬 1,3,4王少伟 1,3,4,5,*陆卫 1,2,3,4,**
1 中国科学院上海技术物理研究所 红外物理国家重点实验室，上海 200083
2 上海科技大学 物质科学与技术学院，上海 201210
3 上海节能镀膜玻璃工程技术研究中心，上海 200083
4 中国科学院大学，北京 100049
5 南通智能感知研究院，江苏 南通 226000
低维材料嵌入微腔已经广泛应用于纳米激光器和探测器等。为了实现增益材料和光学微腔之间的有效耦合，需要深入研究嵌埋材料对腔共振模式的影响。本文主要讨论了嵌埋材料的厚度、位置、腔层厚度以及分布式布拉格反射镜的对数对腔供着模式的影响。结果表明，腔共振模式随嵌埋材料位置的不同呈现周期性变化并且在λ/2光程周期内存在最大峰位移。最大峰位移随腔层厚度增加而减小，但与嵌埋材料的厚度成正比。分布式布拉格反射镜的对数不影响腔共振模式。这些结果为光学器件的设计和实验现象的分析提供了指导，并且可以应用于不同波长分布式布拉格反射腔结构。
光学腔 共振模式 嵌埋位置 分布式布拉格反射镜 optical cavity resonant mode embedded position distributed Bragg reflector
北京工业大学光电子技术教育部重点实验室，北京 100124
分布式布拉格反射镜（DBR）是共振腔发光二极管（RCLED）的主要组成部分，其温度特性对RCLED的性能有着重要影响。基于650 nm红光RCLED，设计出由Al0.5Ga0.5As和Al0.95Ga0.05As组成的DBR结构。首先通过AlxGa1-xAs材料折射率的色散关系分析温度对AlxGa1-xAs材料折射率的影响，进而模拟了DBR反射谱的温度特性，得到随着温度升高DBR反射谱红移的结论，温漂速率为0.048982 nm/℃。通过MOCVD制备出30对Al0.5Ga0.5As和Al0.95Ga0.05As组成的DBR外延结构，并对其进行反射谱测试，发现随着温度升高反射谱出现了红移现象，温漂速率为0.049277 nm/℃，与模拟结果相近，验证了温度升高导致反射谱红移结论的正确性。
共振腔发光二极管 分布式布拉格反射镜 温度 色散关系 外延 光学学报
2023, 43(14): 1425002
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
应用传输矩阵法计算并分析了分布式布拉格反射镜（DBR）的堆叠方式对反射谱的影响，当入射介质为GaAs材料、出射介质为空气时，DBR以低折射率层/高折射率层（LH）的方式排列具有更高的反射率。研究了入射角度对DBR反射率的影响，利用角度相关的传输矩阵模型对DBR反射谱进行计算，结果表明，DBR反射谱随着入射角度的增加而蓝移，最大反射率随着入射角度的增加而增大。建立了940 nm波长下AlxGaAs的材料折射率与铝的原子数分数x之间的线性拟合模型，并通过多层剖分等效法，计算分析了渐变层对DBR反射谱特性的影响。相比于突变型DBR结构，渐变型DBR结构在维持最高反射率基本不变的情况下，反射带宽有所减小。
激光器 传输矩阵法 垂直腔面发射激光器 分布式布拉格反射镜 入射角度 渐变层 反射谱
1 长春理工大学 光电工程学院, 吉林 长春 130022
2 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 纳米加工平台, 江苏 苏州 215123
3 中国科学技术大学 纳米技术与纳米仿生学院, 安徽 合肥 230026
将表面配体改性的CdSe/ZnS量子点(Quantum dots)和光刻胶混合, 进而采用光刻工艺在InGaN/GaN蓝光Micro-LED上实现了最小尺寸为3 μm的高分辨率、高光效的量子点颜色转换膜层。同时系统研究了不同厚度和混合比例的量子点膜层的吸收/发射光谱及光致发光量子产率(PLQY)。为优化光转换效率, 量子点膜层中加入了TiO2散射粒子以提高蓝光的吸收效率。更进一步地, 经过设计引入分布式布拉格反射镜(DBR), 使得未被吸收的蓝光光子回弹到量子点转换膜层, 这不仅提升了蓝光吸收效率, 也增强了转换色彩的饱和度。同时采用了热激发方式来提升量子点的光致发光量子产率。为得到更高的显示对比度和色彩饱和度, 引入黑色光阻矩阵来削弱临近图形之间的颜色串扰。实验结果表明, 该量子点膜层可以用光刻技术实现高分辨率、高光效的颜色转换图层, 为单片全彩化Micro-LED显示的发展提供了新颖可靠的技术路线。
量子点 分布式布拉格反射镜(DBR) 颜色转换 散射粒子 Micro-LED Micro-LED quantum dot distributed Bragg reflector(DBR) color conversion scattering particles
南京邮电大学电子与光学工程学院、微电子学院, 江苏 南京 210023
基于光学Tamm态(OTS)的局域场增强特性和石墨烯的电控特性,提出一种含石墨烯的金属-分布式布拉格反射镜-金属(M-DBR-M)复合结构。考虑石墨烯层对介质界面连续性的影响,基于修正的传输矩阵法建立完善的理论模型,并研究结构参数以及驱动电压对OTS特性的影响。结果表明,随着驱动电压的增大,两个OTS的本征波长均发生蓝移,当驱动电压大于石墨烯的突变电压时,本征波长发生蓝移且趋于稳定,说明可以通过电控石墨烯来实现OTS的本征波长在一定范围内动态可调;增大DBR周期数,两个OTS的本征波长分别发生红移和蓝移,说明吸收率对周期数的波动具有鲁棒性;入射端的金属层厚度在25~35 nm之间,能够实现完美吸收;出射端的金属层厚度则在70 nm处有吸收率的极大值。
光谱学 石墨烯 光学Tamm态 金属-分布式布拉格反射镜 吸收率 中国激光
2021, 48(16): 1613001
厦门大学电子科学与技术学院(国家示范性微电子学院), 福建 厦门 361005
氮化镓(GaN)垂直腔面发射激光器(VCSEL)在近20年来获得了飞速发展,已成为下一代半导体激光器的研究热点。GaN是制造从紫外波段到绿色波段光电子器件的绝佳材料,而VCSEL具有阈值和发散角小、调制速率高,以及输出光束呈圆对称等特点。首先回顾了基于GaN的VCSEL的发展历史,简要介绍了它的主要应用方向;然后讨论了反射镜与谐振腔设计与制造中的关键问题;接着分析了三种不同结构的GaN VCSEL的散热机理,并分析讨论了优化散热的策略;最后介绍了基于GaN的蓝色、绿色和紫外VCSEL的研究进展及最新思路。
激光器 垂直腔面发射激光器 氮化镓 半导体激光器 分布式布拉格反射镜
1 九江职业技术学院 机械工程学院, 江西 九江 332007
2 武汉大学 动力与机械学院, 武汉 430072
为提升LED芯片的光提取效率和电流扩展能力, 设计了双金属层环形叉指结构ITO/DBR电极的大功率倒装LED芯片, 并对分布式布拉格反射镜(DBR)薄膜和环形叉指电极结构进行了仿真优化计算。利用TFcalc软件仿真计算了DBR堆栈方式、堆栈周期和参考波长对DBR反射率的影响。仿真结果表明, 优化设计的双堆栈DBR薄膜在234nm宽波长范围内反射率均高于95%, 对应蓝黄光区域(440~610nm)平均反射率高达98.95%, 参考波长红移可以缓解DBR反射偏振效应。利用SimuLED软件仿真计算了电极结构对芯片电流扩展能力的影响。仿真结果表明, 350mA电流输入情况下, 单金属层电极电流密度均方差为44.36A/cm2, 而双金属层环形叉指数目为3×3时, 电流密度均方差降至14.37A/cm2。双金属层环形叉指电极降低了p、n电极间距, 减小了电流流动路径, 芯片电流扩展性能明显提升。
倒装LED 分布式布拉格反射镜 双金属层电极 环形叉指 平均反射率 flip-chip LEDs DBR electrode with two-level metallization annular finger-like electrode average reflectivity
