王志鵬 張峰 楊嘉煒 李鵬濤 關(guān)寶璐

(北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部, 光電子技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京100124)

(2019 年 11 月 25日收到; 2019 年 12 月 24日收到修改稿)

液晶與垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器(VCSELs)陣列結(jié)合可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)可調(diào)諧、偏振精確控制等, 同時(shí)液晶的引入也會(huì)改變垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器陣列的熱特性, 本文設(shè)計(jì)了表面液晶-垂直腔面發(fā)射激光器陣列結(jié)構(gòu), 并開展了陣列的熱特性實(shí)驗(yàn)研究. 對(duì)比分析了向列相液晶層對(duì)VCSEL陣列熱特性的影響, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 1 × 1, 2 × 2, 3 × 3三種表面液晶-VCSEL陣列的閾值電流溫度變化率最高可降低 23.6%, 熱阻降低26.75%; 同時(shí), 激光器陣列各發(fā)光單元之間的溫度均勻性顯著提高, 出光孔與周圍溫差小于0.5 ℃. 綜上所述,VCSEL陣列中液晶層的引入不僅大大加速激光器陣列單元熱量擴(kuò)散, 而且降低了有源區(qū)結(jié)溫, 提高了VCSELs激光器陣列熱特性, 為實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量的單偏振波長(zhǎng)可控VCSEL激光器陣列打下了良好的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).

1 引言

隨著信息化時(shí)代科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展, 高性能垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)陣列已成為面向高速高密度集成的光互聯(lián)核心器件, 其具有自身獨(dú)特的圓形對(duì)稱光斑、小體積、低功耗和高密度陣列集成[1?3]等特點(diǎn), 因此, 易制成大功率陣列激光器件[4],并具有重要的商業(yè)和軍事價(jià)值并被廣泛地應(yīng)用到固體激光器抽運(yùn)、激光引信、高速脈沖測(cè)距、紅外照明及倍頻激光光源[5?8]等領(lǐng)域中. 然而, 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展, 對(duì)激光器陣列光源光束質(zhì)量提出了越來越高的要求, 例如在多光束可操控光源、矢量圖像處理、光學(xué)相控陣及空間光調(diào)制傳感等高新技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用中, 往往需要VCSEL陣列光束具有高功率、窄線寬的同時(shí), 還要實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)可調(diào)諧、波數(shù)控制、偏振精確控制等[9], 因此, 在實(shí)現(xiàn)更高光束質(zhì)量控制中, 液晶-VCSEL受到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注. Castany等[10]通過將液晶置于諧振腔內(nèi), 制備了1550 nm腔內(nèi)液晶波長(zhǎng)可調(diào)諧器件, 實(shí)現(xiàn)了調(diào)諧電壓小于3 V時(shí)的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍大于30 nm的偏振光輸出; Pan等[11]提出了一種將相干耦合VCSEL陣列與液晶光學(xué)相控陣直接集成的電控光束控制芯片; Frasunkiewicz等[12]仿真模擬了波長(zhǎng)調(diào)諧范圍68.5 nm的液晶可調(diào)諧器件; Panajotov等[13,14]將VCSEL芯片置于膽甾相液晶盒內(nèi), 在理論上研究了光譜、閾值以及偏振特性, 并證明了在一定的溫度控制下, 能實(shí)現(xiàn)圓偏振光輸出, 同時(shí)還將VCSEL芯片置于液晶盒內(nèi)制備外腔液晶可調(diào)諧激光器, 實(shí)現(xiàn)了激射波長(zhǎng)、偏振態(tài)和激射閾值的可變性[15]. 本實(shí)驗(yàn)室前期開展了一系列表面液晶-VCSEL研究工作, 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)表面液晶層的引入,有效擴(kuò)大了VCSEL的正交線偏振態(tài)穩(wěn)定范圍和光功率差, 增加了線偏振光的各向異性[16]. 雖然液晶與VCSEL陣列結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)可調(diào)諧、波數(shù)控制、偏振精確控制等, 但對(duì)于VCSEL陣列而言,其具有高密度陣列集成的特點(diǎn), 會(huì)有十分明顯的熱集聚效應(yīng)[17], 因此, 本文在前期工作基礎(chǔ)上, 針對(duì)表面液晶-VCSEL陣列器件, 詳細(xì)研究了液晶的引入對(duì)VCSEL陣列的熱特性造成的影響, 研究發(fā)現(xiàn)液晶層的引入不僅大大改善了液晶VCSEL陣列的熱特性, 降低了由于集成陣列單元而引起的閾值-溫度系數(shù), 而且提高了熱飽和輸出功率, 使得激光器陣列表面溫度均勻性小于0.5 ℃, 為實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量的單偏振波長(zhǎng)可控VCSEL激光器陣列打下了良好的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).

2 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備

圖1為表面液晶-VCSEL陣列的結(jié)構(gòu)示意圖,本實(shí)驗(yàn)所用器件結(jié)構(gòu)采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積技術(shù)在n型GaAs襯底上外延生長(zhǎng)而成. 從GaAs襯底自下而上依次生長(zhǎng)n型分布布拉格反射鏡(DBR)、有源區(qū)、氧化限制層、p型DBR和歐姆接觸層. 其中n型(Si摻雜) DBR由34.5對(duì)Al0.90Ga0.10As/Al0.12Ga0.88As組成, 有源區(qū)由 3對(duì) 6 nm 厚的GaAs量子阱和8 nm厚的Al0.30Ga0.70As勢(shì)壘構(gòu)成, 其中心波長(zhǎng)為 850 nm, p型(C 摻雜)摻雜DBR由 21對(duì) Al0.90Ga0.10As/Al0.12Ga0.88As組成.而位于有源區(qū)和p型DBR之間的氧化限制層(Al0.98Ga0.02As)厚 30 nm, 經(jīng)過濕氮氧化工藝后形成AlxOy層, 從而形成電流和光場(chǎng)的分布限制.

在VCSEL陣列的制備過程中, 首先通過光刻技術(shù)在外延片上表面獲得圓柱形臺(tái)面的光刻圖形,然后使用DBR腐蝕液(體積比為甲醇∶磷酸∶雙氧水 = 3∶1∶1)通過濕法腐蝕得到圓柱形臺(tái)面, 腐蝕深度 2.7 μm, 暴露出氧化限制層側(cè)壁. 采用濕氮氧化法在400 ℃高溫下對(duì)Al0.98Ga0.12As層橫向氧化, 得到直徑20 μm的氧化限制孔. 再通過等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積在外延片上淀積生長(zhǎng)一層300 nm厚的SiO2作為電絕緣層, 再次光刻腐蝕,去掉出光孔上方的 SiO2. 第三次光刻并濺射Ti/Au 150 ?/3000 ?, 剝離工藝獲得出光孔和注入電極, 減薄襯底至 150 μm 后, 濺射 AuGeNi/Au 500 ?/3000 ?, 作為背面電極, 并在 270 ℃ 條件下進(jìn)行35 s退火處理, 使電極與半導(dǎo)體材料形成良好的歐姆接觸. 最后利用光刻型聚酰亞胺(PI)在注入電極上制作5 μm深凹槽, 涂布液晶.

圖1 表面液晶-VCSEL陣列結(jié)構(gòu)示意圖(a)橫截面圖; (b)俯視圖Fig. 1. Structure of independent addressable surface liquid crystal VCSEL array: (a) Cross section; (b) top view.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

在制備完成表面液晶-VCSELs陣列的基礎(chǔ)上,通過測(cè)量引入液晶前后 1 × 1, 2 × 2, 3 × 3三種陣列的特征溫度、單管閾值電流溫漂率、斜率效率、飽和光功率、熱阻、熱串?dāng)_和溫度分布等參數(shù),對(duì)比分析液晶的引入對(duì)VCSEL陣列熱特性的影響.

半導(dǎo)體激光器的特征溫度T0是表征半導(dǎo)體激光器溫度穩(wěn)定性的一個(gè)重要參數(shù), 它與激光器所使用的材料與結(jié)構(gòu)有關(guān)[18].T0越高, 激光器的溫度穩(wěn)定性越好, 即溫度對(duì)激光器特性的影響越小. 可以通過Ith隨T的變化關(guān)系計(jì)算出器件的特征溫度T0[19], 其中Tr為室內(nèi)溫度,為室溫下的閾值電流, 閾值電流Ith可通過P-I曲線二次微分法確定, lnIth隨溫度T的變化如圖2內(nèi)圖例插圖所示,經(jīng)計(jì)算引入液晶前后不同溫度下各陣列的特征溫度及閾值電流溫漂率如圖2所示, 其特征溫度分別由無液晶時(shí)的 187, 292和 346 K 提高到 288, 396和 438 K, 增幅可達(dá) 54%, 40.43% 和 26.59%, 由此可見, 液晶的引入增大了激光器陣列的特征溫度.這是由于液晶取代空氣成為激光器陣列各發(fā)光單元之間的導(dǎo)熱介質(zhì), 同時(shí), 液晶分子平行于激光器陣列表面分布(液晶的平行熱導(dǎo)率k//為0.22 W/(m·K)[20], 25 ℃ 時(shí)空氣的熱導(dǎo)率kair, 25 ℃為 0.026 W/(m·K)). 液晶通過較大的熱導(dǎo)率加速了有源區(qū)熱量擴(kuò)散, 減少有源區(qū)內(nèi)部的非輻射復(fù)合, 使激光器陣列獲得了較大的特征溫度. 當(dāng)陣列的溫度從25 ℃加熱至70 ℃時(shí), 激光器內(nèi)部損耗與有源區(qū)熱載流子泄漏隨之增加, 導(dǎo)致閾值電流變大, 而引入液晶能顯著地降低陣列中單管的閾值電流溫漂率, 正如圖2所示, 當(dāng)熱損耗功率不變時(shí),在液晶的作用下使得有源區(qū)熱量擴(kuò)散增快, 減緩結(jié)溫的增長(zhǎng), 因此, 液晶VCSEL陣列閾值電流溫漂率顯著降低.

圖2 引入液晶前后各陣列的特征溫度和閾值電流溫度漂移率Fig. 2. Characteristic temperature and threshold current temperature drift rate of each array before and after introducing liquid crystal (LC).

研究表明, 液晶溫度可達(dá)到清亮點(diǎn)以上360 K[21],并且隨著溫度的升高, 液晶將進(jìn)一步改善VCSEL光束輸出雙穩(wěn)態(tài)特性. 圖3為不同溫度下表面液晶VCSEL陣列斜率效率變化曲線. 從圖3(a)可知, 對(duì)于無液晶的 1 × 1, 2 × 2, 3 × 3 VCSEL陣列, 從 25 ℃ 到 70 ℃, 其斜率效率隨溫度的升高顯著降低, 其中對(duì)于3 × 3陣列的斜率效率減幅多達(dá)26.86%, 由此可見溫度對(duì)斜率效率的影響隨著陣列數(shù)目的增大而加劇. 而對(duì)于液晶VCSEL陣列, 如圖3(b)所示, 三種陣列隨溫度的升高斜率效率降低, 但其與未引入液晶的三種陣列相比, 三種陣列的斜率效率均有所提升, 且斜率效率的下降速率明顯變緩, 其中對(duì)于3 × 3陣列改善最為明顯,斜率效率的減幅由原來無液晶時(shí)的26.86%降低至15.16%, VCSEL陣列由于其內(nèi)部熱量積聚增多, 引起結(jié)溫升高, 內(nèi)部損耗增大, 故而造成斜率效率的下降, 液晶層的引入顯著降低了陣列溫度對(duì)斜率效率的影響, 進(jìn)而改善管芯散熱環(huán)境, 降低工作溫度從而提高功率轉(zhuǎn)換效率[22].

圖3 不同溫度下各陣列斜率效率(a) 無液晶; (b)有液晶Fig. 3. Slope efficiency of each array at different temperatures: (a) Without liquid crystal; (b) with liquid crystal.

圖4 為引入液晶前后不同溫度下液晶VCSEL陣列的電流P-I特性曲線及飽和光功率光譜圖.與 1 × 1單管 VCSEL 相比, 液晶 VCSEL 飽和光功率分別提升了約 4%, 對(duì)于 2 × 2陣列在 25,45和65 ℃這三種溫度下, 引入液晶前的飽和光功率分別為 36.51, 33.68, 31.19 mW, 引入液晶后飽和光功率分別提升了 4.8%, 4.3%, 4.2%, 波長(zhǎng)變化Dl< 0.6 nm; 3 × 3陣列在 25, 45和 65 ℃ 這三種溫度下, 引入液晶前的飽和光功率分別為47.24,42.94, 40.54 mW, 引入液晶前后的飽和光功率分別提升了 4.6%, 3.7%, 3.2%, 波長(zhǎng)變化 Dl< 0.6 nm;通過對(duì)比上述數(shù)據(jù)可知, 液晶VCSEL激光器陣列的飽和光功率均得到有效提升, 這是因?yàn)殡S著環(huán)境溫度的升高, 有源區(qū)內(nèi)部損耗增加, 內(nèi)外量子效率降低, 導(dǎo)致輸出光功率下降, 而液晶層的引入有效地降低了有源區(qū)的溫度, 使其內(nèi)部損耗和熱載流子的泄漏減少, 因此, 在輸入電功率相等時(shí)可獲得更大的光功率和穩(wěn)定的波長(zhǎng)輸出, 液晶-VCSEL陣列熱阻對(duì)比如圖5所示.

圖4 引入液晶前后不同溫度下三種陣列的脈沖電流 P-I曲線及室溫時(shí)飽和光功率光譜圖(a), (d), (g) 1 × 1; (b), (e), (h) 2 × 2;(c), (f), (i) 3 × 3Fig. 4. The P-I curves of each array at different temperatures before and after coating with LC and spectra at saturated optical power at room temperture (a), (d), (g) 1 × 1; (b), (e), (h) 2 × 2; (c), (f), (i) 3 × 3.

由圖5可知, 對(duì)于無液晶的 1 × 1, 2 × 2, 3 × 3 VCSEL陣列, 其熱阻值隨陣列數(shù)目的增多而增加,而引入液晶后的三種陣列, 其熱阻值與三種無液晶陣 列 相 比 分 別 下 降 了 26.75%, 22.09%, 14.70%.液晶-VCSEL陣列表面溫度分布如圖6所示, 在無液晶情況下, 激光器出光孔與其四周的溫差較大,在 2.3—2.6 ℃ 之間, 而引入液晶后, 其溫差縮小至0.5 ℃以下. 這是因?yàn)橐壕幽苡行У貙㈥嚵杏性磪^(qū)的熱量導(dǎo)引至器件表面, 進(jìn)而增加熱量的橫向傳導(dǎo), 減小出光孔與臺(tái)面之間的溫差, 使得熱量在出光孔與臺(tái)面之間微小的距離內(nèi)傳導(dǎo)時(shí)間極短,更有利于激光器陣列溫度均勻分布.

圖5 引入液晶前后各陣列熱阻比較Fig. 5. Thermal resistance of each array before and after coating with LC.

4 結(jié)論

本文通過對(duì)比分析了表面液晶VCSEL激光器陣列熱特性的變化與影響, 研究發(fā)現(xiàn)激光器陣列表面引入液晶后, 1 × 1, 2 × 2, 3 × 3三種陣列的特征溫度分別增大了54%, 40.43%和26.59%; 從25 ℃到70 ℃, 三種表面液晶VCSEL激光器陣列的閾值電流溫度變化率最高可降低23.6%, 熱阻降低26.75%, 激光器陣列各發(fā)光單元之間的溫度均勻性顯著提高, 出光孔與周圍溫差由原來的2.6 ℃下降至0.5 ℃以下, 陣列表面溫度分布更均勻, 大大提高了表面液晶VCSEL激光器熱特性. 綜上所述, 在VCSEL陣列中引入液晶層, 可以加速激光器陣列單元熱量擴(kuò)散, 降低有源區(qū)結(jié)溫, 可以實(shí)現(xiàn)更高的熱穩(wěn)定性和更優(yōu)器件性能.

圖6 激光器陣列出光孔與周圍溫差
Fig. 6. Temperature difference between the optical hole of laser array and its surroundings.

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