高光束质量大功率垂直腔面发射激光_宁永强.pdf

高光束质量大功率垂直腔面发射激光宁永强，张 星，秦 莉，刘 云，王 伟，张立森，王贞福，王立军(发光学及应用国家重点实验室，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033)摘要：大功率垂直腔面发射激光器(VCSEL)在激光泵浦、激光测距、激光雷达等领域有广泛的应用前景，但目前的常规激光器材料结构尚未针对大功率激光输出进行优化设计。特别是为获得大功率激光输出所采用的大出光窗口导致的激光光束质量劣化成为限制其应用发展的核心问题之一。针对上述问题对激光器材料结构与器件结构进行了两方面的新结构设计和研制：(1)以实现大功率激光输出为目标，材料结构设计上对出光窗口一侧的 N-DBR 反射率进行了调整，以具有 99.3%反射率的n-DBR 替代常规结构中所采用的 99.7%以上反射率。与常规材料结构相比，采用优化后的材料结构制备的直径 500 m 出光孔径的单管器件在注入电流 110 A 时激光输出功率达到 102 W，而单元出光窗口直径 100 m 的 55 阵列在 100 A 电流下的激光输出功率为 103 W，单元直径为 140 m 的 88阵列在 130 A 注入电流下的激光输出功率达到 115 W；(2)针对大出光窗口导致的光束质量劣化，通过湿法化学刻蚀研制了直接集成在出光窗口表面的微透镜结构，单元出光窗口直径为 90 m 的 66阵列器件在 4 A 注入电流下的激光光束发散角压缩到 6.6，与未集成微透镜时的 14.8相比有了大幅改善。实验结果表明：降低 n-DBR 反射率及集成微透镜结构有效地改善提高了大功率垂直腔面发射激光的输出功率和激光光束质量。关键词：垂直腔面发射激光器；大功率；高光束质量；微透镜；窄脉冲中图分类号：TN21文献标志码：A文章编号：1007-2276(2012)12-3219-07High-power high beam quality vertical-cavitysurface-emitting lasersNing Yongqiang,Zhang Xing,Qin Li,Liu Yun,Wang Wei,Zhang Lisen,Wang Zhenfu,Wang Lijun(State Key Laboratory of Luminescence and Applications,Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China)Abstract:High-power vertical-cavity surface-emitting lasers(VCSEL)can be used as the laser source oflaser pumping,laser ranging,and LIDAR,etc.The material structure of VCSEL was rarely optimizeddirectly for high power operation.The deterioration of beam quality of VCSEL caused by large emittingwindow for high power operation is becoming a key problem for the application of high power VCSEL.Two novel techniques were proposed to improve the performance of VCSEL.The reflectivity of n-DBRwas slightly decreased to 99.3%instead of 99.7%as commonly used in conventional VCSEL.A recordpower of 102W was realized at a current of 110A for a 500m-aperture VCSEL.Output powers of 103Wand 115W were respectively demonstrated for a 55 2D array with the single emitter of 100m-aperture and第41卷第12期红外与激光工程2012年12月Vol.41 No.12Infrared and Laser EngineeringDec.2012收稿日期：2012-04-05；修订日期：2012-05-03作者简介：宁永强(1965-)，男，研究员，博士，主要研究方向为大功率垂直腔面发射激光器。Email:ningyq红外与激光工程第41卷0引 言垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一种发光方向垂直于半导体外延片的新型半导体激光器，垂直结构的谐振腔及圆柱形波导结构使其能够输出易于进行光纤耦合的圆形对称光束，并且非常易于进行二维高密度集成1；除此之外，VCSEL的另一显著优势在于不会受到“光学灾变损伤”这一问题的影响2。上述特点使得VCSEL有希望在激光泵浦、激光测距、激光雷达等大功率激光应用领域取代边发射半导体激光器3-5。近年来国内外在大功率VCSEL单管及列阵器件的研制方面取得了很多进展：2001年，德国Ulm大 学 的Michael Miller等 人 制 作 的320 m口 径VCSEL单管器件输出功率为0.89 W，列阵器件达到1.55W6；2005年，中科院长春光机所制作的500m口径VCSEL单管器件的连续输出功率达到了1.95 W7为了更好地散热，美国Princeton Optronics公司改进了焊接方式，在VCSEL芯片和铜热沉之间加入热导率更高的金刚石散热片，将350 m口径的VCSEL器件的输出功率提高到了3 W8。在VCSEL列阵器件的研制方面，2008年，美国Princeton Optronics公司在大功率980 nm VCSEL列阵方面取得了突破性进展，在5 mm5 mm的外延片上集成了数百个发光点，列阵的排列方式如图1所示9，为了更好地散热，先将VCSEL面阵封装到金刚石热沉上，然后将金刚石焊接到微通道热沉上。当注入电流为16 A时，器件具有最高的功率转换效率达到51，此时的功率为13 W。当电流为60 A时输出功率可达45 W9。综上所述，目前，有两个提高VCSEL输出功率的途径：一是增大单管器件的尺寸；二是多个单管器件进行二维集成。其中方法一使得有源区的尺寸增加，器件图1高功率垂直腔面发射激光器阵列Fig.1 High-power VCSEL array具有更大的发光面积，可以提高输出功率并减小串联电阻，但是器件的尺寸不能无限增大，否则会引起电流注入不均匀，从而导致功率密度的减小和光束质量的下降，具有很大的局限性。方法二将多个发光单元进行集成来实现较高的输出功率，同时保持较高的转换效率，但会导致光束质量的下降，不利于进行光纤耦合。文中针对以上两方面问题分别提出了解决方案：一是从VCSEL器件结构出发，合理优化n-DBR反射率、单元器件尺寸等关键参数，并采用纳秒级窄脉冲驱动方式消除热效应影响，有效提高了VCSEL单管及列阵器件的峰值输出功率；二是利用限制扩散湿法刻蚀法实现了微透镜列阵与VCSEL列阵的集成，研制出同时具有高输出功率及高光束质量的VCSEL列阵。1高峰值功率VCSEL单管及列阵对于连续工作的VCSEL器件而言，受其转换效率的限制，激光器内部势必会产生大量的热，使得有源区的增益下降，功率发生饱和。为了使VCSEL长时间在高功率状态下工作，必须进行有效的散热，设计复杂的冷却装置，这就增加了工艺难度，也提高了成本。不过，对于激光测距、激光雷达等应用来说，并不总是需要激光器处于连续工作状态，而只需要在a 88 2D array with the single emitter of 140m-aperture.For the deterioration of beam quality,microlenswere directly integrated onto the emitting window by wet etching the GaAs subatrate.The divergent angle ofa 66 2D array with the single emitter of 90 m-aperture was suppressed to 6.6indicating a strongimprovement compared with the divergent angle of 14.8 for an array without microlens.The results aboveshows that the performance of high power VCSEL is greatly improved by the optimization of n-DBRreflectivity and the integration of microlens.Key words:vertical-cavity surface-emitting lasers;high-power;good beam quality;micro-lens;narrow pulse3220第12期极短的时间内产生很高的功率即可。研究表明：在脉冲宽度为500 ns以下，占空比低于1%时，激光器的热效应可以忽略不计，这就使得在窄脉冲宽度条件下获得较高峰值功率的VCSEL器件成为可能。笔者针对窄脉冲、大电流工作条件对VCSEL器件结构中的n-DBR反射率进行了优化，研制出了具有高峰值功率的VCSEL单管及列阵器件。1.1 VCSEL器件的n-DBR反射率优化文中研究的VCSEL的底发射结构如图2所示，设计波长为980 nm。VCSEL的外延片是通过金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)的方法生长而成，主要包括3个部分：p-DBR，n-DBR和有源区。有源区夹在p-DBR和n-DBR之间，由三个In0.2Ga0.8As/GaAsP量子阱组成，其中，In0.2Ga0.8As阱层厚6 nm，GaAsP垒层的厚度为8nm。有源区与空间层形成1-谐振腔。p-DBR由30对C掺杂的Al0.9Ga0.1As/GaAs组成，掺杂浓度为2.51018cm-3，反射率可达99.9%以上。在p-DBR与 空 间 层 之 间 有 一 层30 nm厚 的Al0.98Ga0.02As，该层在进行选择性氧化工艺后，可以形成一层低折射率且绝缘的Al2O3，既起到对有源区电流的限制作用，也可以等效为一凸透镜，产生一定的光限制。n-DBR一般由1828对Si掺杂的Al0.9Ga0.1As/GaAs组成，掺杂浓度为21018cm-3。图2 980 nm底发射VCSEL结构示意图Fig.2 Schematic of 980 nm bottom-emitting VCSEL在有源区结构固定之后，影响器件性能的参数主要是有源区直径及n-DBR反射率10。为此，笔者从阈值电流密度、外量子效率和输出功率的角度分析了一定有源区直径条件下不同n-DBR反射率及其对器件的影响。VCSEL器件的阈值电流密度可以用下式表示：Jth=qdBeffN2tr/iexp2aNin+1Leffln1RtRb姨姨姨姨姨(1)式中：q为电子电荷量；d为多个量子阱的总厚度；Beff为有效复合系数；Ntr为透明载流子浓度；i为内量子 效率；aN为增益系数；为 限 制 因 子；in为 内部损耗；Leff为有效腔长；Rt和Rb分别为p-DBR和n-DBR的反射率。器件的外量子效率和输出功率表达式为：d=ilog1/RtRb姨f姨inLeff+log1/RtRb姨f姨(2)P0=dhvq(1-r2Jth)(3)P=P0=1-TTofff姨(4)其中T=RT(V0-IRd)I-P(5)P0和P分别为不考虑和考虑自热效应时器件的输出功率。h为普朗克常量，v为光子频率，I为注入电流，T为由于器件的自热效应所导致的内部温升，RT=(4cr)-1为热阻，c为平均热导率，r为器件半径，V0为开启电压，Rd为串联电阻，Toff为截止温度。根据以上理论模型，笔者对器件的性能进行了模拟计算，所需参数如表1所示。表1材料和结构参数Tab.1 Material and structural parameters图3示出了阈值电流密度和外量子效率与n-DBR反射率的关系。从图中可以直观地看出，两个参数都随着n-DBR反射率的增加而降低，当n-DBR的反射率大于99%时，器件的阈值电流密度小于1 kA/cm2，反射率大于99.5%时，外量子效率开始急速下降。为了得到高的输出功率，需要提高外量子效率，这就要求降低n-DBR的反射率，而导致阈值电流密度的增加。所以，好的器件性能不能通过单纯地降低或提高n-DBR的反射率得到，要从多个方面综合考虑，既要维持较低的阈值电流，又能得到高的输出功率。ParameterSymbol/unitValueEffective recombination constantBeff/cm3s1.510-10Internal quantum efficiencyi/%100Effective cavity lengthLeff/nm1 010Total internal lossin/cm-110Turn-on voltageV0/V1.5Series resistanceRd/0.05Cut-off temperatureToff/170宁永强等：高 光 束质 量 大功 率 垂 直 腔 面 发 射 激 光3221红外与激光工程第41卷图3阈值电流和外量子效率与n-DBR反射率的关系Fig.3 Relationship between threshold current&external quantumefficiency&n-DBR reflectivity图4(a)和(b)分别为考虑和不考虑自热效应时输出功率与注入电流和n-DBR反射率的关系。可以看出：当n-DBR的反射率越高时，越容易激射，说明器件的阈值电流变小。从图4(a)中可以看出，当n-DBR的反射率在99%-99.4%之间时，器件可以达到比较高的输出功率。随着注入电流的增加，器件的功率先是缓慢增加，达到最大值后迅速下降，这主要是由于器件的自热效应导致内部温度升高，从而使得器件的性能变差。在图4(b)中，器件的输出功率随着电流的增加而不断上升，斜率效率比考虑自热效应时大得多，这种情况可以通过良好的散热或者窄脉冲驱动的方式来近似实现。图4输出功率、注入电流与n-DBR反射率的关系Fig.4 Relationship between output power&injected current&n-DBR reflectivity从以上的计算和分析中可以得到以下结论：第一，为了得到较高的输出功率和转换效率同时维持较低的阈值电流，n-DBR的反射率应该在99.2%99.3%。第二，器件的自热效应对输出功率和转换效率的影响非常大，为了获得更好的输出特性，可以提高器件的散热性能或者采用窄脉冲驱动的方式降低自热效应，后者更为有效。2.2高峰值功率、窄脉冲宽度VCSEL单管及列阵对器件进行脉冲测试时采用了笔者自行研制的激光器驱动电源，脉冲宽度有60ns和100ns等多种，重复频率为100 Hz。图5(a)为60 ns电源驱动时的电脉冲和光脉冲波形，图5(b)为100 ns电源驱动时器件的光脉冲波形。从测试结果可以看出，光脉冲的脉宽相对于电脉冲均有所展宽，分别为70 ns和120 ns。图5光脉冲&电脉冲波形Fig.5 Waveform of optical&electrical pulse笔 者 在 脉 冲 条 件 下 分 别 对n-DBR反 射 率 为99.3%及99.7%，有源区直径为500 m的VCSEL单管器件进行了测试。采用的驱动电源脉冲宽度为60ns，重复频率为100 Hz。图6(a)为500 m口径单管器件，图6(b)为优化前单管器件的输出功率。由于受到电源的限制，500m口径单管器件在注入电流为110 A时，输出功率分别达到90W、92W和102W，功率密度分别达到46kW/cm2、47kW/cm2和52kW/cm2。而优化前的单管器件的输出功率远小于优化后的器件90A时仅有27W的输出功率，功率密度不到14kW/cm2。笔者还研制出单元直径为100 m的55阵列以及单元直径为140 m的88阵列，并测试了不同3222第12期图6 500 m口径VCSEL单管器件在窄脉冲电源驱动下的P-I特性Fig.6 Narrow pulse P-I characteristics of VCSEL single deviceswith 500 m-diameter-aperture脉 冲 宽 度 条 件 下 器 件 的 输 出 特 性。图7为 脉 宽60ns条件下55 VCSEL阵列器件的输出功率曲线，可见其在100A脉冲电流驱动下输出功率为103W。图8图7 60 ns脉冲电源驱动下55 VCSEL阵列器件的输出特性Fig.7 Output characteristics of 55 VCSEL array under 60 ns pulsedrive current图8 100 ns脉冲电源驱动下88 VCSEL列阵器件的脉冲输出特性Fig.8 Output characteristics of 88 VCSEL array under 100 nspulse drive current为88 VCSEL列阵的脉冲输出特性。脉冲电源的重复频率为100Hz，脉宽为100ns。当驱动电流为130A时器件的峰值输出功率达到115W，光谱宽度为2nm，波长为975nm。2高光束质量微透镜集成VCSEL列阵VCSEL的特点之一在于其腔长仅为波长量级，这使其能够很好地保持单纵模。但由于其有源区和出光窗口有一定的横向宽度，因此，会有一些横模被激发出来11。传统的氧化限制型VCSEL只有在有源区直径很小(4 m)的情况下才能获得单横模激射，然而太小的有源区会限制光功率的输出。如果想同时 获 得 高 输 出 功 率 与 高 光 束 质 量，就 势 必 要 在VCSEL结构中引入光束质量控制机制。控制VCSEL模式输出的方法很多，包括集成微透镜法12，表面浮雕法13，空间滤波法14，外部反馈法15以及表面集成光子晶体等微结构16等，其中利用微透镜作为稳定模式输出已被广泛应用于VCSEL单管及二维阵列。利用微透镜作为输出耦合镜，构成复合腔结构，可以有效改善VCSEL的光束质量，并且具有结构紧凑及长期工作可靠性高的优点。笔者利用一种限制扩散湿法刻蚀技术17，直接在VCSEL列阵器件的衬底表面制备微透镜以实现高光束质量大功率输出。2.1限制扩散湿法刻蚀微透镜在半导体制造业中化学刻蚀剂主要分为反应速度限制型及限制扩散两类。大多数的湿法刻蚀过程是基于第一种类型，这是因为对于不同的材料和不同的表面平整度，刻蚀具有选择性，因而反应速度有所差别。但是在某些特殊的情况下，被刻蚀的表面会强烈地依赖于刻蚀剂的扩散特性，如图9所示，沿边缘周围的Br2分子扩散较快，而中央位置的Br2扩散较慢，扩散速度的差异对应刻蚀速率的差异，刻蚀时间越长，边缘跟中央刻蚀的相对深度越大，只要选择合适配比的溶液及反应时间，就可以得到一定曲率半径的微透镜。图9限制扩散湿法刻蚀制作微透镜原理图Fig.9 Schematic diagram of formation of micro-lens indiffusion-limited wet-etching宁永强等：高 光 束质 量 大功 率 垂 直 腔 面 发 射 激 光3223红外与激光工程第41卷图10为微透镜制作过程示意图。首先在衬底表面生长厚度为100 nm的SiO2作掩膜(图10(a)，然后通过光刻在SiO2表面形成一系列不同直径的圆孔(图10(b)，最后在HBr、H2O2、H2O组成的腐蚀液中腐蚀微透镜，控制好腐蚀时间和腐蚀液的配比度，就可以得到不同曲率半径的微透镜(图10(c)。腐蚀过程周围环境对微透镜的表面形貌影响很大，任何的空气扰动都会破环Br2分子扩散运动，影响表面形貌的形成，因而保持周围环境稳定和温度稳定是形成完好的表面形貌的重要条件。图10 GaAs衬底表面制作微透镜步骤示意图Fig.10 Schematic illustration of fabricating micro-lens on theGaAs substrate图11为得到的微透镜的表面形貌。对于大直径600m的微透镜，表面粗糙度RMS为15.55nm，曲率半径为959.66m，透镜的焦距为369.1m。对于小直径200 m的微透镜，表面粗糙度RMS为12.56 nm，曲率半径为959.86 m，对应焦距为369.18 m。实验发现，只要是相同的溶液配比度和相同腐蚀时间得到的不同透镜的曲率半径，相差不大，但是表面粗糙度不同，小直径的RMS更小一些。图11直径为200 m的微透镜表面形貌Fig.11 Surface topography of 200 m-diameter micro-lens2.2微透镜集成VCSEL列阵性能测试及分析利用前面介绍的限制扩散湿法刻蚀技术，笔者制作了微透镜集成66 VCSEL列阵，如图12所示，图12(a)为微透镜列阵的扫描电镜图片，列阵总共有36个发光单元，每个单元圆心间距为120 m，解理完芯片体积为1 mm1 mm0.2 mm。图12(b)为每个列阵单元的示意图，每个发光单元的有源区直径为90 m，出光窗口为100 m，VCSELs仍采用2.1节中的底发射结构。图12微透镜集成66 VCSEL列阵示意图Fig.12 Schematic of 66 micro-lens integrated VCSEL array图13是有无微透镜的器件输出特性的测试结果。从图中可见：有微透镜的器件阈值电流为0.96A，阈值电压为2.04V，串联电阻为0.41，室温下最高输出功率为1W，相应的功率密度为0.44kW/cm2，最高斜率效率为0.36W/A。而没用微透镜器件的阈值电流为0.79A，阈值电压为1.96V，串联电阻为0.39，最高输出功率为1.17W。由于这两种器件的衬底减薄到200m左右，因而器件的性能有了较大的提高。图13有微透镜和没有微透镜的66 VCSEL的L-I-V测试结果Fig.13 L-I-V characteristics of micro-lens integrated&lens-less66 VCSEL array在工作电流从1A到4A变化时，笔者对两种器件的远场发散角和远场强度分布进行测试，如图14所示。经测试发现，当驱动电流1A到4A变化时，有微 透 镜 器 件 的 远 场 发 散 角 分 别 为3.7，4.5，5.9，6.6；另外在相同条件下，对没有微透镜器件的远场发散角进行测试，分别为10.3,10.9,13.4,14.8，由此可见：微透镜在压缩发散角，改善光束质量方面作用还是很明显的。由图14可以看出两种器件的远场光束质量差别很大，微透镜可以更好地抑制器件激 射 的 高 阶 模 式，使 得 器 件 具 有 更 好 的 光 束 质3224第12期图14在不同电流下，有无集成微透镜的VCSEL列阵的远场发散角及强度分布Fig.14 Far-field and intensity distribution under different injectedcurrent of micro-lens integrated&lens-less VCSEL array量。而没有微透镜的远场分布呈现出不均匀的分布，具有更大的远场发散角。3结 论文中为提高大功率VCSEL单管及列阵器件的输出功率及光束质量分别给出了解决方案。(1)为了提高VCSEL单管及列阵器件的峰值输出功率，通过理论模拟，综合考虑器件的阈值电流、输出功率等方面，对其n-DBR反射率进行了优化，优化后直径为500 m的VCSEL单管器件在60 ns窄脉冲电源驱动下峰值输出功率达到102W，功率密度达到52kW/cm2，VCSEL列阵器件在60ns及100ns窄脉冲驱动下输出功率均超过百瓦；(2)为提高VCSEL列阵器件的光束质量，利 用 限 制 扩 散 湿 法 技 术 研 制 出 微 透 镜 集 成VCSEL列阵，与未集成微透镜的VCSEL列阵相比，微透镜集成VCSEL列阵的远场发散角及强度分布均有较大改善，说明其光束质量显著提高。参考文献：1Iga K,Koyama F,Kinoshita S.Surface emitting semiconductorlasersJ.IEEE Journal of Quantum Electronics,1988,24(9):1845-1855.2Michalzik R,Grabherr M,Jaeger R,et al.Progress in high-power VCSELs and arraysC/SPIE,1998,34(9):187-195.3Seurin J F,Xu G Y,Miglo A,et al.High-power 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