(聊城大學物理科學與信息工程學院 山東 聊城 252000)

自1977年，日本東京工業(yè)大學的伊賀健一提出垂直腔面發(fā)射半導體激光器(Vertical cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)的概念開始，VCSEL各個方面的研究到現(xiàn)在均獲得了長足的進展[1]。VCSEL的光學諧振腔與半導體芯片的襯底垂直，能夠實現(xiàn)芯片表面的激光發(fā)射，有低成本，低閾值電流，單波長工作穩(wěn)定[2]、低發(fā)散角、窄線寬、圓形對稱光斑、高光纖耦合效率、易高頻調制、動態(tài)單模工作、無腔面閾值損傷、可實現(xiàn)一維、二維高密度集成等優(yōu)點。隨著VCSEL的研究深入以及應用需求的拓展，VCSEL在自由空間光通訊、光信息處理、全光通信和激光抽運等領域備受重視，為滿足互聯(lián)網(wǎng)的需求和光學存儲密度的不斷提高提供了一條新途徑。此外，VCSEL在手機、消費性電子等領域也發(fā)揮著越來越重要的作用，在3D感測、激光顯示、激光測距、微型原子鐘、高密度存儲、生物分析以及VR(虛擬現(xiàn)實)/AR(增強現(xiàn)實)/MR(混合現(xiàn)實)等方面得到廣泛應用。VCSEL未來也將在物聯(lián)網(wǎng)、5G通信、RF元件、ADAS(先進駕駛系統(tǒng))等領域發(fā)揮重要作用，所以，高性能VCSEL的研究，引起了國內外研究人員的高度重視。但是隨著VCSEL在各領域的廣泛應用，日益表現(xiàn)出如下缺陷：

一方面，隨著VCSEL外延材料質量和器件技術的發(fā)展，人們對光束質量提出了更高的要求，高功率瓦級VCSEL成為全球研究熱點。激光器的輸出光束應該在提高激光器的功率密度和滿足高效率激光器泵浦要求的同時滿足光纖的耦合效率，而目前VCSEL的輸出光束質量較差，得到的圓形光斑與光纖的耦合效率不高。如何提高激光器的光束質量進而達到更高的耦合效率成為目前VCSEL亟待解決的問題。

另一方面，VCSEL工作在連續(xù)波時，由于電流的注入和器件結電阻、體電阻等原因使器件自身產(chǎn)生的熱量以及由于工作環(huán)境中溫度的升高導致的熱量，會導致VCSEL有源區(qū)在閾值處的溫度會比襯底高25-30℃[3]。在室溫26℃的基礎上，溫度的升高會使激射波長向長波長方向移動，閾值電流增加[4]、模式不穩(wěn)定、光電轉換效率降低，此外，還會造成有源區(qū)各材料層間產(chǎn)生熱應力，而使激光器的壽命受到影響。隨著工作環(huán)境溫度的升高，VCSEL的基本工作性能隨之降低，因此，溫度是VCSEL實現(xiàn)穩(wěn)定工的限制因素，解決激光器的溫度問題對提升器件工作性能及使用壽命具有極其重要的現(xiàn)實意義[6]。

由于VCSEL一般工作在高溫環(huán)境中，極少在低溫下工作。因此，擬通過腔模失諧技術來改善高溫性能；同時利用非周期性亞波長光柵實現(xiàn)VCSEL的超高光束質量。

亞波長光柵結構并不損害激光器的電特性和熱特性，反而由于其優(yōu)異的光束匯聚能力，顯著提高了VCSEL的出射光束質量，亞波長光柵的存在使得VCSEL即使在高功率的輸出情況下也不會因為腔面尺寸小、輸出功率密度高造成腔面損傷且光電轉換效率將會得到提升。器件輸出的高質量圓形光斑更易與光纖耦合，同時降低了耦合的復雜性和成本。

腔模位置是激射波長的決定因素，采用增益-腔模失諧技術，即量子阱增益峰在室溫相對其腔模位置藍移的方法可使其在高溫環(huán)境下性能保持穩(wěn)定，我們擬選擇-15nm失配技術保證VCSEL腔模增益在80-90℃溫度區(qū)間保持在較高值，確保器件即使在高溫的工作環(huán)境中的性能仍能保持穩(wěn)定。

針對光束質量：國內方面，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所李特，寧永強等人對VCSEL的出光質量進行測量發(fā)現(xiàn)注入電流較小時，電流在有源區(qū)分布不均勻，形成環(huán)形分布遠場，電流增大到3000mA時，有源區(qū)電流注入較均勻，此外較大的出射孔徑也會導致電流的分布不均勻，因此增大注入電流縮小出射孔徑，光束質量將會得到足步改善；此后為了進一步提高光束質量他們又提出了6×6的微透鏡集成VCSEL陣列，遠場的發(fā)散角<7°。國外方面，JT Blane，WK North等人提出了一種具有2.5um氧化限制孔徑以及不同蝕刻深度的光子晶體孔徑的850nm VCSEL，得到的光束質量因子接近于1。美國的麻省理工研制出腔長為10mm的半導體激光器連續(xù)輸出為3W的1060nm單模激光輸出，最大的光電轉換率為45%。瑞士Oclaro研制出腔長為4.8mm的980nm激光器實現(xiàn)連續(xù)2W基膜高斯光束輸出，最大光電轉換效率可達到63%。以上兩個案例光電轉換效率在一定程度上改善了光束質量，但是由于腔長的減小導致腔面尺寸隨之減小，輸出功率密度高時，易造成VCSEL的腔面損傷，從而影響高質量光束的輸出。針對以上提高VCSEL光束質量的方法進行對比發(fā)現(xiàn)，雖然在一定程度上改善了出光質量，但是輸出功率密度高時，容易造成VCSEL腔面損傷，從而對光束質量產(chǎn)生影響。因此，亞波長光柵集成VCSEL的結構，使得激光器即使在高功率的輸出情況下也不會因腔面受損而影響光束質量，反而由于光柵優(yōu)異的光束匯聚能力，顯著提高了VCSEL的光束質量。

針對高溫性能：國內方面，長春理工大學郝永琴等人提出一種實現(xiàn)VCSEL高溫性能的新工藝，即采用開環(huán)分布孔代替環(huán)形溝槽，解決了電極易斷線問題，從而使得器件表現(xiàn)出良好的高溫特性，當溫度高達60℃時輸出功率可達到8mW]；長春理工大學王霞等人又提出了提高VCSEL高溫性能的另一種方法即在上DBR頂部添加0.5對層用來蝕刻環(huán)形出光孔的表面浮雕結構。國外方面，美國的Adrian Keating，Alexis Black等人提出一種利用980nm光泵浦的1550nm的VCSEL，125℃時器件的輸出功率可達到75mW。俄羅斯自然科學院的Apollonor等發(fā)明了一種十分有效的熱交換器。這種交換器具有微通道和多孔構造，這類多孔構造的熱交換器能對大功率半導體激光器有源區(qū)進行散熱且其散熱均勻；Joseph Dix的研究團隊對激光器的熱特性進行了全方位和系統(tǒng)性的探究，他們的研究結果顯示對稱結構可明顯加強散熱效率。但是上述結構并沒有從根本上解決問題，只能在一定的溫度范圍內保證激光器的基本工作性能，一旦工作的環(huán)境溫度過高并不能進行有效的散熱，散熱效率低且出射波長會出現(xiàn)偏移現(xiàn)象。通過對相關文獻的查閱分析，在高溫工作的情況下輸出功率雖然達到一定的要求，但是忽略了溫度對波長的影響，在溫度升高時波長都會發(fā)生紅移。因此，利用腔模失諧技術來提高VCSEL的高溫性能，在保證輸出功率的同時也能滿足工作波長的要求。

基于亞波長光柵的VCSEL在高速數(shù)據(jù)傳輸、以及在工業(yè)國防上都有重要的應用價值，在激光顯示、通信、傳感等領域將會有更為明確的應用前景。