反波导面发射激光器及其二维耦合阵列研究

反波导(antiguide)结构是保证大孔径VCSEL单基横模工作的有效方法，且有利于阵列各器件之间的稳定耦合，是高性能锁相VCSEL阵列的发展趋势之一。本项目系统研究反波导结构激光器的理论模型、数值模拟、结构设计。利用三维矢量BPM方法分析、优化反波导VCSEL纵横向结构，设计制备出新型侧向高反射基横模反波导VCSEL。采用二维有源光子晶体泄漏模式模型及二维有效折射率方法，用耦合波分析理论、速率方程对反波导VCSEL耦合阵列进行理论分析，优化阵列结构数。设计并研制出抑制高阶和非共振阵列模式的反波导同相共振耦合阵列。优化MOCVD二次外延技术和高精度刻蚀工艺，电子束曝光及紫外光刻和质子注入等关键工艺。综合研究外延、阵列结构和工艺参数与器件的共振模式、功率、远场发散角、中心瓣功率、阈值以及温升等性能的关系。为最终实现具有高输出功率、优异相干特性及近衍射极限光束发散角的面发射阵列光源打下基础。

反波导结构是高性能锁相VCSEL阵列的发展趋势之一。本项目系统研究了反波导VCSEL及其耦合阵列的设计方法和数值模拟方法。研究了MOCVD的二次外延工艺，高精度刻蚀，质子注入等关键工艺以及测试方法。对腔诱导型反波导结构的关键参数进行了严格的推算和优化。利用介质膜反射镜实现了内腔接触式反波导VCSEL的激光输出，输出功率达0.28mw。在耦合阵列制备方面，研究了质子注入限制、光子晶体等多种耦合机制和阵列结构，利用载流子和热效应形成的反波导机制，实现了质子注入2×2阵列的同相耦合输出，直流功率为0.45mw，显示出优异的光束性能，其发散角仅为3.6度（1.18×D.L）近乎衍射极限。研究了阵列表面电流扩展对阵列耦合特性的影响，以及用ITO和石墨烯材料提高电流扩展效果，提高耦合强度。利用ITO薄层做电流扩展层，改善电流注入均匀性，实现了3×3阵列的同相耦合激射。脉冲输出功率达4.5mw，发散角仅为2.4度，为实现优异相干性能的近衍射极限光束发散角的面发射阵列光源打下了基础。发表APL论文2篇， IEEE 刊物论文3篇，其他SCI论文7篇，EI论文5篇。获国家发明专利授权3项，实用新型授权1项。直接培养博士生3人，硕士生4人。