在GaN VCSEL 中实现单模工作

新型具有曲面反射镜的GaN VCSEL 设计实现单横模工作

 

Sony 公司的研究人员称，通过制作具有单横模工作能力的首款GaN VCSEL，他们取得了新的突破。

 

他们的器件在大约 443nm 的波长发射，并不是首个以这种方式工作的VCSEL 形式。甚至在世纪之交之前，GaAs VCSEL 就以单横模工作方式运行了。不过，在 GaAs VCSEL 中，这是通过将电流孔径减小至仅 3μm 左右（以避免激发高次模）来实现的。但是，这种方法抑制了输出功率——对于 850nm 的常见发射波长，输出功率通常至多为 3mW。

 

Sony 的设计克服了该局限性。底部的平面镜被一块曲面镜所替代，这一改变能够增强光约束。更重要的是，这种新型结构使得 VCSEL 能够具有一个较大的腔体，从而有助于光约束。

 

这个来自日本的研究团队制作了一个GaNVCSEL 产品系列，这些激光器具有不同的镜面曲率和多种电流孔径。

 

GaN VCSEL 器件的制备流程是，首先将一个 n 型 GaN 衬底装入 MOCVD 反应室，并沉积一个外延堆栈，该堆栈包括一个 n 型 GaN 层，一个具有 3 个 InGaN 量子阱的活性区域，以及一个 p型 GaN 层。接着进行的是真空沉积（添加一个氧化铟锡层），随后是一个顶端分布式布拉格反射器(DBR)，其由 7 对 Ta₂O₅ 和 SiO₂ 制成。需要注意的是，这个 DBR 中的材料层数少于 Sony 以前制造的 VCSEL，旨在提高光取出效率。

 

工程师们使用硼离子注入来形成具有 3μm 至8μm 直径的电流孔径。在对 ITO 和 n 型 GaN 均进行了选择性反应离子刻蚀之后，添加了一对由一个 Ti/Pt/Au 堆栈制成的金属触点。连接至 ITO和 n 型 GaN 的触点分别产生了用于注入空穴和电子的电流通路。

 

在曲面镜形成之前，衬底的背面被抛光至20μm 的厚度。接着，添加成球（ball-up）树脂模，其在随后的反应离子刻蚀过程中充当牺牲掩模，这产生一个弯曲的表面。最后，真空沉积增加了14 对 Ta₂O₅ 和 SiO₂，以创建一个底端 DBR。

 

图：Sony 的新型VCSEL 设计，具有一个弯曲的底部反射镜，因而使得此类器件能够执行单横模工作。

 

Sony 的工程师测量了一系列采用 p 侧向上（p-side up）配置安装在 TO5.6 封装中的VCSEL 的发射特性。这些激光器在 20℃ 的温度条件下工作于连续波模式。

 

对具有曲率半径为 51μm 的底部反射镜的VCSEL 进行的研究显示，在电流孔径为 6μm 的器件的发射光谱中存在许多由高次横模引起的峰值。将电流孔径减小至 5μm，而后再降至 4μm，导致这些高次模的强度一次又一次地减弱，而当该孔径的大小仅为 3μm 时，则只存在与纵模相关联的峰值。

 

另外，研究人员还仔细检查了来自一对具有不同的曲率半径、但是电流孔径大小相同（其为4μm）的 VCSEL 的发射。对于具有 31μm 曲率半径的产品变体，在发射光谱和远场方向图中观察到了多个峰值，意味着执行的是多模横向操作。

 

形成鲜明对比的是，对于具有 51μm 曲率半径的VCSEL，在高达 6mA 的电流条件下，在远场中发现了类高斯轮廓（Gaussian-like profiles）。根据这些结果，该研究小组得出结论：反射镜的曲率半径能够控制单横模操作。

 

在以 6mA 电流驱动时，该VCSEL 发射 3.2mW的输出功率，并具有 30dB 的边模抑制比。

 

参考文献

 

H. Nakajima et al. Appl Phys. Express 12084003 (2019)