垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL的基本特征和性能指標(biāo)分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u735垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL的基本特征和性能指標(biāo)分析概述 1247051.1垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL的基本特征 121041.1.1VCSEL的結(jié)構(gòu) 1248801.1.3自發(fā)輻射與受激輻射 2287051.1.4VCSEL的工作原理 259361.1.5馳豫振蕩 25221.2VCSEL的性能指標(biāo) 3200581.1.1電光延遲時(shí)間 3317491.1.2上升時(shí)間 3203891.1.2布拉格反射鏡 3167861.1.3受激輻射速率 4238901.3VCSEL單模速率方程 4198801.3.1氧化孔徑特性 5105771.3.2溫度特性 5271431.3.3電流閾值 61.1垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL的基本特征1.1.1VCSEL的結(jié)構(gòu)一般VCSEL的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由三個(gè)部分組成，分別為：有源區(qū)、布拉格反射鏡、金屬電極。其中，有源區(qū)位于N型摻雜和P型摻雜的兩個(gè)布拉格反射鏡之間。為了減小閾值電流并提高峰值功率，一般會(huì)在有源區(qū)中加入2~4個(gè)量子阱[26]。圖2VCSEEL基本結(jié)構(gòu)1.1.3自發(fā)輻射與受激輻射導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴復(fù)合，并輻射出一個(gè)能量接近帶隙能量的光子，這一過程稱為自發(fā)輻射（見圖4（a））。當(dāng)光子在導(dǎo)帶中有電子和價(jià)帶中有空穴的半導(dǎo)體中傳輸時(shí)，受激輻射過程將使光子數(shù)增加。圖4（b）給出了受激輻射過程前后電子的占據(jù)情況。光子在將電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶的過程中會(huì)被吸收，這一過程稱為受激吸收[28]。圖4（a）自發(fā)輻射過程示意圖；（b）受激輻射過程示意圖1.1.4VCSEL的工作原理VCSEL是以直接帶隙半導(dǎo)體為光增益介質(zhì)的激光器，其核心是一個(gè)具有光反饋結(jié)構(gòu)的p-n結(jié)二極管，通常被稱為激光二極管（如圖5）。為二極管加上正電壓后，電子從n區(qū)移動(dòng)到p區(qū)。在p-n結(jié)附近，電子和空穴復(fù)合而產(chǎn)生受激輻射，在諧振腔內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的光振蕩，端面發(fā)出激光[23]。圖5激示意圖1.1.5馳豫振蕩在注入電流后，載流子濃度和光子濃度均有一個(gè)弛豫過程。如圖6所示，當(dāng)VCSEL的注入電流大于閾值電流時(shí)，有源區(qū)的載流子濃度逐漸上升，但光子濃度幾乎不變。在有源區(qū)的載流子濃度達(dá)到該激光器的閾值載流子濃度之后，載流子發(fā)生受激輻射，產(chǎn)生光子。此時(shí)，有源區(qū)光子濃度上升，載流子濃度凈增長(zhǎng)速度減低。經(jīng)過一段時(shí)間后，載流子濃度和光子濃度達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡[21]。圖6載流子濃度、光子濃度隨時(shí)間變化1.2VCSEL的性能指標(biāo)1.1.1電光延遲時(shí)間當(dāng)VCSEL進(jìn)行脈沖調(diào)整時(shí)，需要解決電光延遲時(shí)間的問題，才能提高脈沖調(diào)制速率。從注入電流，到光脈沖達(dá)到最大光子數(shù)密度的10%所經(jīng)歷的時(shí)間，即為電光延遲時(shí)間td。圖5中t1之前的時(shí)間即為電光延遲時(shí)間。電光延遲效應(yīng)不僅會(huì)影響光脈沖的峰值，而且當(dāng)電光延遲時(shí)間大于脈沖電流寬度時(shí)，調(diào)制會(huì)完全失效。因此，對(duì)電光延遲時(shí)間的研究有助于讓我們更加深入地了解器件內(nèi)部的載流子輸運(yùn)過程[19]。1.1.2上升時(shí)間上升時(shí)間tr，即光脈沖從最大光子數(shù)密度的10%，增加到最大光子數(shù)密度的90%所用的時(shí)間。圖5中t1到t2的時(shí)間，即為上升時(shí)間。VCSEL在激光雷達(dá)測(cè)距的應(yīng)用中，當(dāng)光脈沖寬度相同時(shí)，脈沖的上升沿越短，有效脈沖所占的比例就越大，相應(yīng)的測(cè)距結(jié)果也就越精確。因此，為了保證VCSEL輸出數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性及可靠性，我們需要擁有盡可能小的上升時(shí)間的激光信號(hào)[21]。1.1.2布拉格反射鏡布拉格反射鏡（DBR）的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，它由多層介質(zhì)組成，折射率呈周期性變化。制作DBR時(shí)，需要折射率大和折射率小的兩種材料，在村底上交替生長(zhǎng)。最常用的DBR有以下要求[27]：1）是1/4反射鏡，即各層的厚度均為1/4波長(zhǎng)。這樣的結(jié)構(gòu)可以使入射光線及各層反射光線形成駐波，以輸出相對(duì)穩(wěn)定的激光。2）兩種介質(zhì)均為對(duì)入射光透明的材料，以消除其光損耗。3）盡量增大兩種材料的折射率差。對(duì)于1/4反射鏡，通常要生長(zhǎng)十幾對(duì)膜層，才可以達(dá)到95％以上的反射率。而兩種材料的折射率差越大，DBR的反射帶寬也就越寬，達(dá)到相同反射率時(shí)所需要生長(zhǎng)的對(duì)數(shù)也相對(duì)較少。4）對(duì)于半導(dǎo)體材料，還要求它們之間，以及與襯底材料晶格匹配，以減少應(yīng)力。圖3DBR原理圖1.1.3受激輻射速率受激輻射速率即在單位體積中，單位時(shí)間內(nèi)通過受激輻射產(chǎn)生的光子數(shù)。有源區(qū)內(nèi)的光子有三條途徑可以產(chǎn)生或湮滅：一是受激輻射引起光子增加；二是自發(fā)輻射引起光子增加；三是損耗引起光子減少（這三項(xiàng)具體計(jì)算公式將在1.3中給出）。由于在上升過程中，后兩項(xiàng)在數(shù)量上遠(yuǎn)小于受激輻射產(chǎn)生的光子，因此可以用光子總體變化趨勢(shì)代表受激輻射速率的特征。本文中，采用在上升過程中的平均受激輻射速率，即最大光子數(shù)密度的80%（從最大光子數(shù)密度的10%到90%）與上升時(shí)間的比值。受激輻射速率代表了光子產(chǎn)生的速度，因此，為了保證VCSEL輸出高峰值功率、短上升沿的脈沖激光，我們需要盡量大的受激輻射速率[29]。1.3VCSEL單模速率方程速率方程理論是表述光與實(shí)物相互作用的微觀理論，是根據(jù)所涉的各個(gè)宏觀或微觀過程，以及光子和電子的粒子數(shù)守恒定律推導(dǎo)而來的。速率方程并不能由現(xiàn)有的基本方程從頭導(dǎo)出，而是根據(jù)對(duì)所涉過程的認(rèn)識(shí)，以及粒子數(shù)守恒定律設(shè)立的，是一種唯象理論。因此，速率方程理論可以隨著人類對(duì)所涉過程認(rèn)識(shí)的深入，或?qū)嶒?yàn)結(jié)果的啟發(fā)，而對(duì)方程進(jìn)行不斷的補(bǔ)充和正。因此，速率方程是探索自然、研究和設(shè)計(jì)各種光電子器件（特別是半導(dǎo)體激光器）有效而成功的理論。因其適應(yīng)實(shí)驗(yàn)的這一特點(diǎn)，多年來，速率方程理論在半導(dǎo)體激光器的閾值、模式競(jìng)爭(zhēng)、注入鎖定、微腔效應(yīng)等靜態(tài)特性，及各種大小光電信號(hào)的直接和間接調(diào)制方式、調(diào)制特性，及其帶寬極限、瞬態(tài)行為、雙穩(wěn)態(tài)、分叉、混沌和噪聲等動(dòng)態(tài)特性，都有豐碩的成果[30]。本文采用半導(dǎo)體單模速率方程來研究VCSEL陣列的瞬態(tài)響應(yīng)過程，其具體表達(dá)式如下： ?Ndt ?Sdt=Γg(T)式中，N為半VCSEL有源區(qū)載流子密度；S為VCSEL有源區(qū)光子密度；i(t)為脈沖注入電流；q為電子電荷；V為有源區(qū)體積；τn為載流子壽命；τp為光子壽命；g(T)為光增益常數(shù)；Ntr(T)為透明載流子密度；Γ為光限制因子；β為自發(fā)輻射系數(shù)。式（1）表示載流子變化速率，等號(hào)右側(cè)：第一項(xiàng)表示由注入電流引起的載流子增加的速率；第二項(xiàng)表示由于自發(fā)輻射引起的載流子減少的速率；第三項(xiàng)表示由于受激輻射引起的載流子減少的速率。式（2）表示光子變化速率，等號(hào)右側(cè)：第一項(xiàng)表示由受激輻射引起的光子增加的速率；第二項(xiàng)表示由損耗引起的光子減少的速率；第三項(xiàng)表示由自發(fā)輻射引起的光子增加的速率。1.3.1氧化孔徑特性有源區(qū)體積V與氧化孔徑a有關(guān)，表達(dá)式為： V=π4式中，tar為有源區(qū)厚度。1.3.2溫度特性增益系數(shù)g(T)和透明載流子密度Ntr(T)是受溫度影響的系數(shù)，與溫度關(guān)系如下[31]： NtrT gT=式中，??為VCSEL芯片內(nèi)溫度；??0為VCSEL的特征溫度。Ntrth和gth分別為閾值載流子濃度和閾值增益系數(shù)。從速率方程可以看出，VCSEL有源區(qū)載流子密度N和光子密度S隨著注入電流i(t)的變化而變化。氧化孔徑a通過影響有源區(qū)體積V，進(jìn)而影響VCSEL有源區(qū)載流子密度N和光子密度S；環(huán)境溫度T通過影響增益系數(shù)g(T)和透明載流子密度Ntr(T)，進(jìn)而影響VCSEL有源區(qū)載流子密度N和光子密度S。1.3.3電流閾值作為雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)中的激光源，VCSEL工作特性的優(yōu)劣影響著系統(tǒng)的性能。對(duì)于一個(gè)半導(dǎo)體激光器來說，閾值是最基本的工作特征。無論在科學(xué)研究還是實(shí)際工程應(yīng)用中，把握VCSEL激光器的閾值行為，并理解其體現(xiàn)的內(nèi)在機(jī)制，能夠直接為激光雷達(dá)系統(tǒng)的研發(fā)提供重要的技術(shù)支持和理論制導(dǎo)，擁有不可替代的核心作用[32]。分別令式（1）和式（2）中等號(hào)左側(cè)為0，可以推導(dǎo)出光子密度S和注入電流I的關(guān)系： S=Γτ式中，Ith即為閾值電