新型具有曲面反射鏡的GaN VCSEL 設計實現單橫模工作。據Sony 公司的研究人員稱，通過制作具有單橫模工作能力的首款GaN VCSEL，他們取得了新的突破。

 

他們的器件在大約 443nm 的波長發射，并不是首個以這種方式工作的VCSEL 形式。甚至在世紀之交之前，GaAs VCSEL 就以單橫模工作方式運行了。不過，在 GaAs VCSEL 中，這是通過將電流孔徑減小至僅 3μm 左右（以避免激發高次模）來實現的。但是，這種方法抑制了輸出功率——對于 850nm 的常見發射波長，輸出功率通常至多為 3mW。

 

Sony 的設計克服了該局限性。底部的平面鏡被一塊曲面鏡所替代，這一改變能夠增強光約束。更重要的是，這種新型結構使得 VCSEL 能夠具有一個較大的腔體，從而有助于光約束。

 

這個來自日本的研究團隊制作了一個GaNVCSEL 產品系列，這些激光器具有不同的鏡面曲率和多種電流孔徑。

 

GaN VCSEL 器件的制備流程是，首先將一個 n 型 GaN 襯底裝入 MOCVD 反應室，并沉積一個外延堆棧，該堆棧包括一個 n 型 GaN 層，一個具有 3 個 InGaN 量子阱的活性區域，以及一個 p型 GaN 層。接著進行的是真空沉積（添加一個氧化銦錫層），隨后是一個頂端分布式布拉格反射器(DBR)，其由 7 對 Ta2O5 和 SiO2制成。需要注意的是，這個 DBR 中的材料層數少于 Sony 以前制造的 VCSEL，旨在提高光取出效率。

 

工程師們使用硼離子注入來形成具有 3μm 至8μm 直徑的電流孔徑。在對 ITO 和 n 型 GaN 均進行了選擇性反應離子刻蝕之后，添加了一對由一個 Ti/Pt/Au 堆棧制成的金屬觸點。連接至 ITO和 n 型 GaN 的觸點分別產生了用于注入空穴和電子的電流通路。

 

在曲面鏡形成之前，襯底的背面被拋光至20μm 的厚度。接著，添加成球（ball-up）樹脂模，其在隨后的反應離子刻蝕過程中充當犧牲掩模，這產生一個彎曲的表面。最后，真空沉積增加了14 對 Ta2O5 和 SiO2，以創建一個底端 DBR。

 

 

圖：Sony 的新型VCSEL 設計，具有一個彎曲的底部反射鏡，因而使得此類器件能夠執行單橫模工作。

 

Sony 的工程師測量了一系列采用 p 側向上（p-side up）配置安裝在 TO5.6 封裝中的VCSEL 的發射特性。這些激光器在 20℃ 的溫度條件下工作于連續波模式。

 

對具有曲率半徑為 51μm 的底部反射鏡的VCSEL 進行的研究顯示，在電流孔徑為 6μm 的器件的發射光譜中存在許多由高次橫模引起的峰值。將電流孔徑減小至 5μm，而后再降至 4μm，導致這些高次模的強度一次又一次地減弱，而當該孔徑的大小僅為 3μm 時，則只存在與縱模相關聯的峰值。

 

另外，研究人員還仔細檢查了來自一對具有不同的曲率半徑、但是電流孔徑大小相同（其為4μm）的 VCSEL 的發射。對于具有 31μm 曲率半徑的產品變體，在發射光譜和遠場方向圖中觀察到了多個峰值，意味著執行的是多模橫向操作。

 

形成鮮明對比的是，對于具有 51μm 曲率半徑的VCSEL，在高達 6mA 的電流條件下，在遠場中發現了類高斯輪廓（Gaussian-like profiles）。根據這些結果，該研究小組得出結論：反射鏡的曲率半徑能夠控制單橫模操作。

 

在以 6mA 電流驅動時，該VCSEL 發射 3.2mW的輸出功率，并具有 30dB 的邊模抑制比。

 

參考文獻

 

H. Nakajima et al. Appl Phys. Express 12084003 (2019)