反波導面發射雷射器及其二維耦合陣列研究

《反波導面發射雷射器及其二維耦合陣列研究》是依託北京工業大學，由徐晨擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：反波導面發射雷射器及其二維耦合陣列研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：徐晨
• 依託單位：北京工業大學

項目摘要

反波導(antiguide)結構是保證大孔徑VCSEL單基橫模工作的有效方法，且有利於陣列各器件之間的穩定耦合，是高性能鎖相VCSEL陣列的發展趨勢之一。本項目系統研究反波導結構雷射器的理論模型、數值模擬、結構設計。利用三維矢量BPM方法分析、最佳化反波導VCSEL縱橫向結構，設計製備出新型側向高反射基橫模反波導VCSEL。採用二維有源光子晶體泄漏模式模型及二維有效折射率方法，用耦合波分析理論、速率方程對反波導VCSEL耦合陣列進行理論分析，最佳化陣列結構數。設計並研製出抑制高階和非共振陣列模式的反波導同相共振耦合陣列。最佳化MOCVD二次外延技術和高精度刻蝕工藝，電子束曝光及紫外光刻和質子注入等關鍵工藝。綜合研究外延、陣列結構和工藝參數與器件的共振模式、功率、遠場發散角、中心瓣功率、閾值以及溫升等性能的關係。為最終實現具有高輸出功率、優異相干特性及近衍射極限光束髮散角的面發射陣列光源打下基礎。

結題摘要

反波導結構是高性能鎖相VCSEL陣列的發展趨勢之一。本項目系統研究了反波導VCSEL及其耦合陣列的設計方法和數值模擬方法。研究了MOCVD的二次外延工藝，高精度刻蝕，質子注入等關鍵工藝以及測試方法。對腔誘導型反波導結構的關鍵參數進行了嚴格的推算和最佳化。利用介質膜反射鏡實現了內腔接觸式反波導VCSEL的雷射輸出，輸出功率達0.28mw。在耦合陣列製備方面，研究了質子注入限制、光子晶體等多種耦合機制和陣列結構，利用載流子和熱效應形成的反波導機制，實現了質子注入2×2陣列的同相耦合輸出，直流功率為0.45mw，顯示出優異的光束性能，其發散角僅為3.6度（1.18×D.L）近乎衍射極限。研究了陣列表面電流擴展對陣列耦合特性的影響，以及用ITO和石墨烯材料提高電流擴展效果，提高耦合強度。利用ITO薄層做電流擴展層，改善電流注入均勻性，實現了3×3陣列的同相耦合激射。脈衝輸出功率達4.5mw，發散角僅為2.4度，為實現優異相干性能的近衍射極限光束髮散角的面發射陣列光源打下了基礎。發表APL論文2篇， IEEE 刊物論文3篇，其他SCI論文7篇，EI論文5篇。獲國家發明專利授權3項，實用新型授權1項。直接培養博士生3人，碩士生4人。