单模同相面发射激光二维锁相阵列及其相控光束偏转研究

We propose to carry out research on phase-locked VCSEL array with high beam quality and electonic steerable beam. The reaearch is based on the inherent relation among the quantum structure, coherent couple mechanism and array performance, to get a stable array with strong mode discrimination. Photonic crystal and cavity induced anti-guide couple structures, in assistant with ion implant, are used to design the in phase coherently coupling array with low threshold. Novel electrode grid, flip-chip structure and graphene are applied to enhance the current spreading, mode discrimination and heat dissipation. In order to optimize the arrangement of the array in consideration of several factors like power, threshold, mode performance, producing cost, etc. , a model including the electronic, optical and thermal effects are established, and numerical simulation is carried out. The beam steering mechanism is explored to increase the angular deflection and efficiency, thus the array can play dual roles of both a coherent source and an optical phased array(OPA). The proceeding, epitaxy and characterization technology are studied. The aim of this program is to get near-diffraction-limited coherent emission and high speed beam steering, and to enhance the scale and single mode output power of the phase-locked VCSEL array.

本项目研究高光束质量半导体垂直腔激光器（VCSEL）锁相阵列及其光束高速偏转技术。从单元量子结构、耦合方式与阵列光电性能的内在联系和规律入手，探索模式选择力强，性能稳定的阵列耦合机制。采用光子晶体和腔诱导反波导的内部耦合结构，结合质子注入，设计出低阈值稳定同相单模工作阵列。采用新型双线分布电极、倒装技术及高电导高透光高导热石墨烯材料，解决注入电流均匀扩展、高模式选择力和散热问题。分析包括电、光、热等多物理场复杂体系，建立模型，数字模拟。在功率、阈值、散热、模式性能，及工艺成本等互制约的因素中取得对单元和阵列结构的优化。研究电控光束偏转机理，提高偏转角度和效率，使阵列具有相干激光源和高速光学相控阵的双重作用。研究阵列制备和二次外延生长的关键技术。研究阵列测试表征技术。实现VCSEL锁相阵列近衍射极限的稳定同相输出和高速光束偏转，提高阵列规模和同相单模输出的功率，并为其实用打下基础。

垂直腔面发射激光器（VCSEL）具有易于二维集成的特点，将多个VCSEL集成为阵列可获得高功率输出。然而在许多高端应用如激光雷达，自由空间光互联，激光点火等场合，不仅要求激光光源具有高功率，还要求亮度高、发散角小，因而对光束质量有很高的要求。普通的激光器阵列虽可得到高功率，但因各个发光单元互不相干，频率不一致，导致亮度和光束质量低，频谱线宽较大，难以满足应用要求。同相耦合阵列是获得高亮度和高光束质量的有效方法之一。.本项目研究高光束质量VCSEL同相耦合阵列及其偏转技术。从单元的量子阱结构、耦合方式与阵列光电性能的内在规律入手，探索模式选择力强，性能稳定的阵列耦合机制。采用质子注入法设计出稳定单模同相工作的阵列。采用网格电极、ITO以及石墨烯解决大规模阵列电流扩展困难的问题。研究电控光束偏转机理，提高偏转角度和效率，使阵列具有相干激光源和高速光学相控阵的双重作用。.通过4年的工作，项目组掌握了质子注入型VCSEL阵列的锁相机制和耦合机理，建立了弱折射率耦合模型分析阵列的模式行为，设计了稳定、模式选择力强的阵列结构。基于质子注入技术，成功制备了同相输出功率高达4mW的3单元同相耦合阵列；制备了1.18倍衍射极限的2×2高光束质量的同相耦合阵列；采用ITO电流扩展层实现了3×3规模的同相耦合阵列(无网格电极情况下规模最大的同相耦合阵列)；设计制备了六角密堆积排列结构的7单元大工作电流范围（阈值~3.5倍阈值）的同相耦合阵列；解决了网格电极阵列倾向于反相激射的问题，采用网格电极结合浅注入的方法实现了5×5和10×10大规模同相耦合阵列，其脉冲同相功率达到10.25mW (目前国际上最大规模的同相耦合阵列规模只有2×2，且功率只有2mW左右)；制备了发散角只有1度的19单元六角排列同相耦合阵列以及127单元超大规模六角同相耦合阵列；掌握了电学光束操控机理，实现了二维电控光束偏转。这些研究成果在激光照明、激光打印以及激光雷达等军事以及民用领域有着巨大的应用前景。