光泵垂直扩展腔面发射半导体激光器的研究进展

光泵浦垂直外腔面发射半导体激光技术——推动激光行业发展的新引擎当今，激光技术已经渗透到各行各业，成为科技领域的重要支撑。

而在不同的激光技术中，光泵浦垂直外腔面发射半导体激光技术（简称OP-VECSEL）作为一种创新的技术手段，备受关注。

它以其特有的优势，正推动着激光行业的发展，成为新一代的激光技术引擎。

1. OP-VECSEL技术的原理OP-VECSEL技术是一种基于半导体材料的激光技术，其核心原理是通过外部光泵浦的激发，实现半导体材料内部载流子的再组合，从而产生激光辐射。

相较于传统的激光技术，其在结构上更加简单，光路更加清晰，能够实现高效的激光发射。

2. OP-VECSEL技术的优势在实际应用中，OP-VECSEL技术具有明显的优势。

其激光输出功率可实现很高的水平，能够满足多种应用领域的需求；其单色性和光束质量优秀，能够实现高精度的激光加工和光通信传输；其结构简单、制造成本低，有望在产业化应用中取得更广泛的应用。

3. OP-VECSEL技术在激光领域的应用在激光领域，OP-VECSEL技术已经被广泛应用。

在激光医疗设备中，其高功率的激光输出能够实现更为精准的治疗效果；在激光显示领域，其高质量的光束能够实现更加清晰、高对比度的显示效果；在激光雷达和光通信中，其单色性和光束质量则能够实现更加稳定的信号传输。

4. 个人观点与展望作为一种新型的激光技术手段，OP-VECSEL技术的发展前景十分广阔。

随着光通信、激光雷达、激光制造等领域的不断拓展，对激光技术提出了更高的要求，而OP-VECSEL技术以其独特的优势，有望在这些领域中得到更加广泛的应用。

光泵浦垂直外腔面发射半导体激光技术作为一种新型的激光技术手段，以其独特的优势，正成为推动激光行业发展的新引擎。

期待在未来的发展中，能够看到更多激光技术带来的创新应用和行业变革。

激光技术是现代科技领域的重要支撑，而光泵浦垂直外腔面发射半导体激光技术（OP-VECSEL）作为一种创新的激光技术手段，正在成为推动激光行业发展的新引擎。

光泵浦半导体激光器正在拓展其潜在应用领域近年来,光泵浦半导体(OPS激光器在低功率应用领域赢得了显著的市场份额,特别是在传统488nm波长的OEM生物仪器应用中,以及473nm波长的照相洗印应用中。

光泵浦半导体激光器在这些领域的成功,在于它具有很多优于早期激光器的性能,同时又能避免很多限制因素。

目前,基于这项技术产生的激光波长和功率范围已经得到了更大的扩展,产生了新的波长和更高的输出功率,使得OPS激光器进入了一个更加广阔的应用领域。

大多数半导体激光器都构建成所谓的边发射器。

深圳市星鸿艺激光科技有限公司专业生产激光打标机,激光焊接机,深圳激光打标机,东莞激光打标机这里,激光从尺寸为几个微米的激活结平面发射,这导致输出光束的发散角很大。

此外,大多数激光二极管发射的光束是非对称和像散的。

这些特性导致垂直腔面发射激光器(VCSEL仅适合于某些通信应用。

在VCSEL中,激光垂直于半导体结从二极管芯片表面发射。

输出口径越大,光束的发散角越小并仍能保持光束对称。

然而,电激励VCSEL并不能产生像边发射半导体激光器一样高的功率激光打标机,这是因为在不使用扩展电极时,载流子无法扩散到更大的面积,而使用扩展电极将会导致损耗过大。

这个问题可以通过利用光泵浦器件产生载流子的办法来解决。

在OPS激光器中,直接耦合的单个激光二极管或光纤耦合激光二极管阵列发出的泵浦光被再次成像到OPS芯片的前表面(见图1。

这种单片III-V族半导体芯片包括两层砷化镓(GaAs和夹在其中的砷镓铟(InGaAs量子阱。

两层GaAs经过了优化从而能有效地吸收泵浦光,产生大量的载流子。

这导致载流子的粒子数反转并在量子阱中复合发光,其辐射波长由量子阱的化学计量和物理尺寸决定。

在这些吸收/辐射层的后面,是由多层高低折射率交替的介质层构成的低损耗分布式布拉格反射镜(DBR,该反射镜经过了优化,可以得到特定的OPS输出波长。

为什么不把输出泵浦光的半导体激光器和VCSEL集成在单一芯片上呢?首先,通过外部反射镜可以灵活改变激光腔,从而可以灵活改变输出光束的特性。

垂直腔面发射激光器（VCSEL）的研究进展与应用1.VCSEL的发展历史和优势半导体激光器是信息化社会最具有代表性的关键光电子器件之一，已经在许多领域得到广泛的应用，研究人员在边发射激光器( Edge Emitting Laser，EEL) 的研制过程中遇到了阵列制备工艺复杂、器件测试困难以及输出模式和波长难以控制等问题。

因此，在1977年日本东京工业大学教授Klga提出了一种VCSEL的概念，并在1979年采用GaInAsP材料体系在77K温度下首次实现脉冲输出。

VCSEL是一种在与半导体外延片垂直方向上形成光学谐振腔、发出的激光束与衬底表面垂直的半导体激光器结构。

在这样的面发射半导体激光器结构中，光的输出端和器件底端都需要反射镜，而反射镜的高反射率对降低阈值电流密度起着非常巨大的作用。

因此，人们针对高反射率的反射镜进行了各种研究，例如介质膜分布式布拉格反射镜( Distributed Bragg Reflectiors，DBR)、半导体DBR、复合反射镜以及金属膜反射镜等。

GaAs材料体系的VCSEL从1983年开始研究到1986年实现低阈值的微腔操作，这期间采用两种不同类型的膜以四分之一波长的厚度交替生长而成的DBR能实现光强反射，反射率达到了99%以上。

到了1988年VCSELs器件采用多层SiO2/TiO2介质膜DBR首次实现了850nm的室温连续激射；然而，虽然数对介质膜DBR即可实现高反射率，但是这种结构不导电且散热性差，为了改进这一状况，1986年年首次实现了AlGaAs/GaAs DBR 的VCSEL器件，由于p型AlAs/Al0.1Ga0.9AS DBR具有较高的势垒电阻，因此该器件只在n 侧使用半导体DBR，而另一侧反射镜采用Au/SiO2镜面组成。

为了改进半导体DBR的势垒电阻问题，许多研究机构进行了报道，其中代表性的器件是采用高浓度Zn 掺杂的AlAs层制备p型DBR；此外，为了避免DBR的高势垒电阻问题，VCSEL器件采用光泵浦方式工作，或者减少一侧DBR的层数和一个外部输出耦合镜相结合，实现连续输出。

光泵浦半导体垂直外腔表面发射激光器芯片研制与性能研究的开题报告一、选题背景与研究意义：半导体激光器是目前应用最广泛的激光器之一，其在通信、信息存储、材料处理、激光医学等领域得到了广泛的应用。

近年来，随着数码化、高速化、智能化的发展，对激光器的需求也越来越高。

而表面发射激光器则是一种新兴的激光器，与传统的边发射激光器相比，具有结构简单、制造工艺简单、发射光束品质好等优点。

因此，本课题将探究光泵浦半导体垂直外腔表面发射激光器芯片的设计、制备与性能研究，旨在开发一种新型、高效、高品质的表面发射激光器，为激光应用领域提供更好的技术支持。

二、研究内容与技术路线：1. 芯片设计：通过理论计算与仿真，设计出具有较好的输出特性、较高的发射效率和较小的发射模式宽度的表面发射激光器芯片。

2. 芯片制备：采用分子束外延工艺、电子束光刻工艺等制备工艺，制备出具有优良性能的表面发射激光器芯片。

3. 芯片表征：采用光学测试、电学测试等方法对芯片的波长、输出功率、发射模式、工作电流与阈值电流等性能指标进行测试。

4. 性能优化：通过对芯片结构、材料、工艺等方面的优化，提高芯片的性能指标，实现芯片的高效、稳定、可靠的工作。

三、预期成果：1. 设计出具有较好输出特性、高发射效率、小发射模式宽度的表面发射激光器芯片。

2. 制备出符合设计要求、具有优良性能的表面发射激光器芯片。

3. 对芯片的波长、输出功率、发射模式、工作电流与阈值电流等性能指标进行测试，评估功率效率和发射品质，并对芯片进行性能优化。

四、研究进度安排：1. 第一年：调研国内外相关领域发展状况，学习相关理论知识，进行理论计算与仿真，设计出表面发射激光器芯片的初步结构，并完成芯片结构的图纸绘制。

2. 第二年：学习分子束外延工艺、电子束光刻工艺等制备工艺，进行样片制备实验，对制备出的样片进行性能测试并分析出问题所在。

3. 第三年：针对样片制备中存在的问题，对芯片的制备工艺、材料等进行优化，并调整芯片结构，制备出性能更符合要求的新样片。

半导体激光器的研究进展摘要：本文主要述写了半导体激光器的发展历史和发展现状。

以及对单晶光纤激光器进行了重点描述，因其在激光医疗、激光成像、光电对抗以及人眼安全测照等领域具有重大的应用价值，近年来成为新型固体激光源研究的热点。

一、引言。

激光是20 世纪以来继原子能、电子计算机、半导体之后人类的又一重大发明。

半导体激光科学与技术以半导体激光器件为核心，涵盖研究光的受激辐射放大的规律、产生方法、器件技术、调控手段和应用技术，所需知识综合了几何光学、物理光学、半导体电子学、热力学等学科。

半导体激光历经五十余年发展，作为一个世界前沿的研究方向，伴随着国际科技进步突飞猛进的发展，也受益于各类关联技术、材料与工艺等的突破性进步。

半导体激光的进步在国际范围内受到了高度的关注和重视，不仅在基础科学领域不断研究深化，科学技术水平不断提升，而且在应用领域上不断拓展和创新，应用技术和装备层出不穷，应用水平同样取得较大幅度的提升，在世界各国的国民经济发展中，特别是信息、工业、医疗和国防等领域得到了重要应用。

本文对半导体激光器的发展历史和现状进行了综述，同时因单晶光纤激光器在激光医疗、激光成像、光电对抗以及人眼安全测照等领域具有重大的应用价值，本文也将对其做重点描述。

二、大功率半导体激光器的发展历程。

1962 年，美国科学家宣布成功研制出了第一代半导体激光器———GaAs同质结构注入型半导体激光器。

由于该结构的激光器受激发射的阈值电流密度非常高，需要5 × 104～1 ×105 A /cm2，因此它只能在液氮制冷下才能以低频脉冲状态工作。

从此开始，半导体激光器的研制与开发利用成为人们关注的焦点。

1963 年，美国的Kroemer和前苏联科学院的Alferov 提出把一个窄带隙的半导体材料夹在两个宽带隙半导体之间，构成异质结构，以期在窄带隙半导体中产生高效率的辐射复合。

随着异质结材料的生长工艺，如气相外延( VPE) 、液相外延( LPE) 等的发展，1967年，IMB 公司的Woodall 成功地利用LPE 在GaAs上生长了AlGaAs。

一种新型的垂直外腔面发射半导体激光器沈少棠北京工业大学应用数理学院 000611指导教师：宋晏蓉摘要介绍了一种新型的垂直外腔面发射半导体激光器的结构、制作工艺、优点及其应用。

关键词激光器，半导体，垂直外腔面一、引言垂直腔面发射激光器（VCSEL）及其阵列是一种新型半导体激光器，它是光子学器件在集成化方面的重大突破，它与侧面发光的端面发射激光器在结构上有着很大的不同。

端面发射激光器的出射光垂直于晶片的解理平面；与此相反，VCSEL的发光束垂直于晶片表面。

它优于端面发射激光器的表现在：易于实现二维平面和光电集成；圆形光束易于实现与光纤的有效耦合；有源区尺寸极小，可实现高封装密度和低阈值电流；芯片生长后无须解理、封装即可进行在片实验；在很宽的温度和电流范围内都以单纵模工作；价格低。

二、垂直腔面发射激光器的结构图1为VCSEL的结构示意图，由布拉格反射镜，有源层和金属层接触组成。

其衬底的选择有以下3种。

1、硅衬底 在硅（Si）上制作的VCSEL还不曾实现室温连续波工作。

这是由于将AlAs/GaAs DFB直接生长在Si上，其界面不平整所致，使DFB的反射率较低。

日本Toyohashi大学的研究者由于在GaAs/Si异质界面处引入多层（GaAs）m（GaP）n应变短周期超晶格（SSPS）结构而降低了GaAs-on-Si异质结外延层的密度。

2、蓝宝石衬底 美国南方加利福利亚大学的光子技术中心为使VCSEL发射的850nm波长光穿过衬底，采用晶片键合工艺将VCSEL结构从吸收光的GaAs衬底移开，转移到透明的蓝宝石衬底上，提高了wall-plug效率，最大值达到25%。

3、砷化钾衬底 基于砷化钾（GaAs）基材料系统的VCSEL由于高的Q值而备受研究者青睐，目前VCSEL采用最多也是生长在GaAs衬底上。

但以GaAsSb QW作为有源区的CW长波长VCSEL发射波长被限制在1.23 微米。

发射波长1.3 微米的GaAsSb-GaAs系统只有侧面发射激光器中报道过。

标题: 垂直腔面发射激光器的研究进展及其应用发信站: 紫金飞鸿(2002年01月09日16:06:43 星期三), 站内信件垂直腔面发射激光器的研究进展及其应用王莉陈弘达潘钟黄永箴吴荣汉 ( 中国科学院半导体研究所北京100083 ) 摘要：垂直腔面发射激光器VCSEL 具有常规半导体激光器不可比拟的优点其光束是园形的易于实现与光纤的高效耦合VCSEL 的有源区尺寸可做得非常小以获得高封装密度和低阈值电流适宜的设计可将激光二极管制成简单的单片集成二维列阵以实现二维光数据处理所用的激光源芯片生长后无须解理封装即可进行在片实验由于VCSEL 的优良性能从而获得 了国内外科技界企业界的高度关注本文对这种器件的性能开发现状及应用作简要的概述 关键词垂直腔面发射激光器光纤通信光网络光互连1 引言近年来由于人们对于超长距离超高速千兆比特/秒(Gbit/s)及至兆兆比特/秒(Tbit/s)光 纤网络的需求对于高性能低成本光互联网的需求以及对于光学存贮密度的不断提高的要 求使一种极其优秀的异型半导体激光器垂直腔面发射激光器(VCSEL)应运而生1979年东京工业大学的Iga 提出了垂直腔面发射激光器的思想并于1988 年研制出首枚VCSEL 器件自诞 生 之日起其优异的性能就获得了人们的青睐科学家们以极大的热情投身到它的研究和开发 中去 使其蓬勃发展短短的十几年来其波长材料结构应用领域都得到迅猛发展部份产品进 入市场据美国Cousultancy ElectroniCast 公司最近预测[1] 仅就用于全球消费的VCSE L 基光 收发机而言2003 年VCSEL 将达到11.43 亿美元2008 年将达到近60 亿美元2 垂直腔面发射激光器性能及结构2 . 1 垂直腔面发射激光器的特性垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser 简称VCSEL)及其阵列 是一种新型半导体激光器它是光子学器件在集成化方面的重大突破VCSEL 与常规的侧向出光的端面发射激光器在结构上有着很大的不同端面发射激光器的出射光垂直于芯片的解理平面(见图1)[2] 与此相反VCSEL 的发光束垂直于芯片表面(见图2) 这种光腔取向的不同导致VCSE L 的性 能大大优于常规的端面发射激光器 图1 端面发射的常规半导体激光器图2 垂直腔面发射激光器 这种性能独特的VCSEL 易于实现二维平面列阵,而端面发射激光器由于是侧面出光而难以 实 现二维列阵小发散角和园形对称的远近场分布使其与光纤的耦合效率大大提高现已证实 与多模光纤的耦合效率大于90% 而端面发射激光器由于发散角大且光束的空间分布是非 对称的128 飞通光电子技术2001 年9 月 因此很难提高其耦合效率由于VCSEL 的光腔长度极短导致纵模间距拉大可在较宽的 温度范围内得到单纵模工作动态调制频率高腔体积减小使得其自发辐射因子较普通端面 发射 激光器高几个数量级这导致许多物理特性大为改善如能实现极低阈值甚至无阈值激射可 大 大降低器件功耗和热能耗由于从表面出光无须像常规端面发射激光器那样必须在外延片 解理封 装后才能测试它可以实现在片测试这导致工艺简化大大降低制作成本此外其工艺 与平面硅工艺兼容便于与电子器件实现光电子集成2 . 2 V C S E L 的基本结构典型的VCSEL 结构示于图3[2] 通常仅约20nm 厚的三量子阱发光区夹在称之为Bragg 反射器的两组高反射率平面镜 之间顶部和底部的Bragg 反射器由交替生长的不同X 和Y 组分的半导体薄层组成相邻层之间的折射率差使每组叠层 的Bragg 波长附近的反射率达到极高( 99%)的水平Bragg 反射镜中的每层厚度为出射光工作波长的四分之一需要制 作的高反射率镜的对数根据每对层的折射率而定激光器的 偏置电流流过所有镜面组它们被高掺杂以便减小串联电阻 有源区由提供光增益的量子阱结构构成典型的量子阱数为1 4个量子阱被置于谐振腔内驻波图形的最大处附近以 便获得最大的受激辐射效率。

光泵外腔面发射半导体激光器设计及其特性研究的开题报告一、研究背景及意义激光器是一种高度集成化、高功率、高效率、高可靠性的光源，已经广泛应用于通信、医学、工业、军事等领域。

其中，传输领域的光纤通信系统是激光器应用的广泛领域之一。

因此，设计高性能的激光器成为了激光器领域的研究热点之一。

光泵外腔面发射半导体激光器是一种新型的激光器，在近年来逐渐引起了人们的关注。

与传统的半导体激光器相比，其具有发射光束质量好、单模稳定、低阈值电流、长寿命等优点。

因此，开展光泵外腔面发射半导体激光器的设计及其特性研究具有重要意义。

二、研究内容本研究拟设计一种光泵外腔面发射半导体激光器，并对其进行特性研究。

具体研究内容包括：1. 光泵外腔面发射半导体激光器的结构设计。

在光泵外腔面发射半导体激光器的结构设计中，需要优化激光器的光学和电学特性。

同时，需要考虑激光器的制造工艺，确保结构设计的可制造性。

2. 光泵外腔面发射半导体激光器的工作原理分析。

在光泵外腔面发射半导体激光器的工作原理分析中，需要探讨光泵外腔面发射半导体激光器的工作原理，特别是需要重点研究激光器的光学和电学特性。

3. 光泵外腔面发射半导体激光器的性能测试与分析。

在光泵外腔面发射半导体激光器的性能测试与分析中，需要对激光器的输出功率、发射光束质量、转换效率、波长和阈值电流等进行测试和分析，并与其它类型的激光器进行对比。

三、研究方法本研究采用计算机辅助设计 (CAD) 和有限元仿真 (FEA) 技术，针对光泵外腔面发射半导体激光器的光学和电学特性，进行结构优化和仿真研究。

通过红外显微镜、光谱仪、电学测试仪等测试设备，对光泵外腔面发射半导体激光器的性能进行测试和分析。

最终，通过对实验数据的分析和对激光器的优化设计，得出最佳的光泵外腔面发射半导体激光器结构，并得到较优的性能指标。

四、预期结果及意义预计本研究能够设计出光泵外腔面发射半导体激光器的最佳结构，并得到较高的性能指标。

微腔半导体激光器研究进展微腔半导体激光器研究进展杨建波1012030902摘要：激光器中微腔的引入可以使凝聚态物质中腔量子电动力学效应得以实现，同时不仅使激光器的尺寸得到大幅度的减小，而且可控制自发辐射，使激光器的性能得到重大的改进。

关键词：微腔激光器; 自发辐射; 谐振腔1引言1.1微腔物理的发展在1960年激光发明以前，人们使用的光都是由自发辐射方式产生的光。

激光发明后，大量研究者的注意力集中在受激辐射上，可是长期以来，人们普遍认为自发辐射是激发态原子不可避免要发生的普遍现象，往往误认为自发辐射是无法控制的非可逆过程[1,2]。

实际上，自发辐射并不是物质的固有性质，而是真空场涨落相互作用的结果。

如果将以原子方式存在的物质置于至少在一个方向上的尺寸与波长同数量级的一个腔内，自发辐射性质就会改变，并受腔的控制，人们把这一研究称之为“腔量子电动力学”[3]。

近几年来，微腔物理、微腔效应的研究，微腔激光器、微腔结构的制作与性能的研究已成为为国际上的一大热点。

微腔物理是别具特色、内容丰富、既具有重大的理论意义，又可成为高新技术新的成长点的交叉前沿学科。

一方面通过微腔物理的研究，可探索和加深对微观世界量子性等基本问题的认识，同时有可能不断开拓出一些全新的研究领域，并对新型工程技术领域产生重大的影响[4]。

激光器中微腔的引入可以使凝聚态物质中腔量子电动力学效应得以实现，并提供丰富的例证，同时不仅使激光器的尺寸得到大幅度的减小，而且可控制自发辐射，使激光器的性能得到重大的改进。

1.2微腔半导体激光器的发展微腔半导体激光器是90 年代初期出现的一种新型结构的半导体激光器, 是目前国内外半导体激光器研究领域的前沿课题。

这种激光器的最大特点是具有低阈值、高效率和稳定的单模输出, 是半导体激光器的一次变革。

半导体微腔激光器由美国贝尔实验室的SamMccall 等人首先提出后，其发展速度非常快，世界各发达国家如美国、英国、日本、俄国等都争先开展这方面的研究工作，并取得了一定的成果。