《高功率垂直腔面發射雷射器基模問題的理論和實驗研究》是依託北京航空航天大學，由吳堅擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：高功率垂直腔面發射雷射器基模問題的理論和實驗研究
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：吳堅
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
高功率垂直腔面發射雷射器（VCSEL）由於大孔徑和載流子環形注入通常產生中心弱邊緣強的高階環模結構，其基模輸出問題至今在國內外未得到有效解決，因而影響到器件的光束質量和套用的開展。近期我們對VCSEL的理論研究發現，大功率VCSEL器件實際上存在著形成基模的條件和可能性。這與載流子的輸運分布及器件結構密切相關。因此，我們希望通過該項目對這一挑戰性課題開展系統的理論與實驗研究並取得實際突破。主要研究內容包括：1.通過建立各種約束條件下載流子輸運分布的理論模型，揭示載流子在不同結構條件下的空間分布規律；2.研究並獲取載流子輸運分布與基模增益形成的關鍵結構要素之間的內在關聯性，為模式控制與結構設計提供理論依據；3.研究評估波導與自再現等物理效應對大孔徑VCSEL模式結構形成的影響；4.以850nm或 980nm 器件為對象開展實驗研究，實現輸出功率100mW的基模實驗器件，達到國際前沿水平。
結題摘要
本項目針對高功率大孔徑的垂直腔面發射雷射器（VCSEL）環模問題展開研究。為取得近高斯的光學模式分布成果，我們從四個方面入手開展了設計研究工作，完成了項目預期目標。完成情況和取得成果如下：（1）高功率大孔徑VCSEL基模形成機制的詳細建模分析，包括VCSEL 中的阻抗和載流子擴散分布、溫度效應、增益和損耗分布的調控以及波導效應各種物理過程的相互影響。研究結果揭示了產生基模各要素之間的內在物理關係，提出了適於基模形成的減小底發射VCSEL器件P面電極尺寸的器件結構和建立了相應的增益最佳化分布調控理論；（2）根據理論計算結果，研製了不同P電極直徑的980nm高功率大孔徑底發射VCSEL器件樣品並進行了光學模式測量。結果顯示，當P電極直徑小於限流孔時，近場環形多模結構可以得到有效改善，輸出功率大於100mW；（3）提出了改進光束質量的大功率VCSEL基模運行的微透鏡集成解決方案。根據器件結構分解設計了器件工藝流程並採取合適工藝完成了器件流片製備，研製出室溫大於200mW遠場基模分布的單管VCSEL器件，發散角8.4°；（4）基於理論分析提出和研製了一種採用單片集成外腔結構的高功率垂直腔面發射雷射器，輸出功率達到280mW，環模情況得到明顯改善，取得遠場發散角4.20、近高斯分布的雷射光束質量。（5）發表SCI收錄論文8篇，EI論文6篇。
