高功率垂直腔面发射激光器基模问题的理论和实验研究

高功率垂直腔面发射激光器（VCSEL）由于大孔径和载流子环形注入通常产生中心弱边缘强的高阶环模结构，其基模输出问题至今在国内外未得到有效解决，因而影响到器件的光束质量和应用的开展。近期我们对VCSEL的理论研究发现，大功率VCSEL器件实际上存在着形成基模的条件和可能性。这与载流子的输运分布及器件结构密切相关。因此，我们希望通过该项目对这一挑战性课题开展系统的理论与实验研究并取得实际突破。主要研究内容包括：1.通过建立各种约束条件下载流子输运分布的理论模型，揭示载流子在不同结构条件下的空间分布规律；2.研究并获取载流子输运分布与基模增益形成的关键结构要素之间的内在关联性，为模式控制与结构设计提供理论依据；3.研究评估波导与自再现等物理效应对大孔径VCSEL模式结构形成的影响；4.以850nm或 980nm 器件为对象开展实验研究，实现输出功率100mW的基模实验器件，达到国际前沿水平。

本项目针对高功率大孔径的垂直腔面发射激光器（VCSEL）环模问题展开研究。为取得近高斯的光学模式分布成果，我们从四个方面入手开展了设计研究工作，完成了项目预期目标。完成情况和取得成果如下：（1）高功率大孔径VCSEL基模形成机制的详细建模分析，包括VCSEL 中的阻抗和载流子扩散分布、温度效应、增益和损耗分布的调控以及波导效应各种物理过程的相互影响。研究结果揭示了产生基模各要素之间的内在物理关系，提出了适于基模形成的减小底发射VCSEL器件P面电极尺寸的器件结构和建立了相应的增益优化分布调控理论；（2）根据理论计算结果，研制了不同P电极直径的980nm高功率大孔径底发射VCSEL器件样品并进行了光学模式测量。结果显示，当P电极直径小于限流孔时，近场环形多模结构可以得到有效改善，输出功率大于100mW；（3）提出了改进光束质量的大功率VCSEL基模运行的微透镜集成解决方案。根据器件结构分解设计了器件工艺流程并采取合适工艺完成了器件流片制备，研制出室温大于200mW远场基模分布的单管VCSEL器件，发散角8.4°；（4）基于理论分析提出和研制了一种采用单片集成外腔结构的高功率垂直腔面发射激光器，输出功率达到280mW，环模情况得到明显改善，取得远场发散角4.20、近高斯分布的激光光束质量。（5）发表SCI收录论文8篇，EI论文6篇。