关于808nm VCSEL

国外研究成果

808nmVCSEL难以实现高功率输出的重要原因是由于GaAs材料对808nm的强吸收。随着VCSEL的不断发展，808nm VCSEL的性能得到了极大的改善。

 

2004年德国U-L-M photonics 制备了808nm 阵列作为泵浦源，单管的出光口径为25um，输出功率是25mW，电光转换效率大于25%。

在研制980nm以及808nm波段的VCSEL阵列方面，美国的Princeton Optronics公司位于世界前列。
 

2009 年，该公司对高功率808nm VCSEL进行了深入的研究和样品开发，使用顶发射氧化限制结构制备了单管效率达到49%的样品。
 

因为GaAs对于808nm波段有强烈的吸收，该公司对顶发射工艺步骤进行了优化，在制备过程中，使用较复杂的衬底去除法，如图不但使工艺制备、材料生长的难度提高,同时使工艺成本增加且使成品率降低。
 

 

 

在室温条件下，器件直径为15μm的单管,阈值电流为0.98mA,斜率效率75.2%，串联电阻65.79。其电光转换效率在6mA时达到最大为49.2%，这也是当时808nmVCSEL最高的转换效率。

该公司实现了808nm VCSEL阵列在连续激射状态下，连.续输出功率为120W，如图所示为该阵列的特性曲线，器件的输出功率随单元数量和阵列面积的增加而增加，所需电流也越来越大，电源成为限制功率的主要因素。
 

在2011年，该公司提出了把器件进行串联的想法，这大大地降低了器件所需要的电流，从而获得了高输出功率，该公司将9个808nm阵列串联起来，以制造出3X3的阵列模块,如图是串联阵列的封装示意图和测试功率曲线,当电流为67A时，输出功率高达300W。

2013年，Princeton Optronics 公司使用两个1.2kW 808nm VCSEL泵浦模块泵浦Nd:YAG晶体棒得到946nm激光输出，再通过倍频得到473nm的蓝光输出，在125μs.的脉宽、300Hz 的调制频率下，得到准连续的输出功率为6.1W的946nm激光。

国内研究成果
 

2010年长春理工大学郝永芹等人，为了改善VCSEL中载流子的聚集效应，使工作电流仅仅通过边缘环形区域很窄的通道注入到有源区，激光功率密度分布不均匀的现象，提出了一种新结构。

这种结构增大了器件的有效发光面积，并用这种新型结构成功研制出808nm高功率大孔径VCSEL。
 

在室温工作条件下，出光孔径为300um的器件输出激光功率P随注入电流变化的曲线和光谱图如图,从图中看出，当注入电流为1A时，输出功率能够达到0.3W，实现了较高的光功率输出。
 

 

2011年，长春光机所等人对808nm VCSEL的芯片结构进行了详细的设计，确定了量子阱的组分和宽度,以及渐变型DBR的对数和反射率，并给出了芯片结构

2013年，该团队研究了温度对808nmVCSEL阵列输出特性的影响，并使用变温塞耳迈耶尔方程对InGaAIAs量子阱VCSEL的温漂系数进行计算。

通过调整热沉的温度，测量了不同温度下的阈值电流、激射波长和光功率，测试结果如图所示,结果显示在温度达到50"C以上时,输出功率迅速降低，实验测得的温度漂移系数与理论计算吻合。
 

相比于边发射激光器，808nm面阵因具有较小的温漂，更适合用作YAG激光器的泵浦光源。
 

2014年，长春光机所张金胜等人为了实现808nm VCSEL的高功率输出，对DBR结构进行了优化设计，制备了非闭合环结构的2X2 VCSEL 阵列。
 

对VCSEL阵列的功率进行了测量，当脉冲宽度是20ns时，重复频率为100Hz，注入电流为110A,输出功率的最大峰值达到30W。
 

当脉冲宽度是60ns时，重复频率为100Hz， 注入电流为30A，最大功率达到9W。通过测量阵列的近场和远场，激光的水平和垂直发散角半高全宽分别为17.6°和16.9°。
 

国内外研究成果分析
 

通过对国内外有关808nm VCSEL对比分析可以看出，早在2009年，美国普林斯顿大学的公司就在连续激射状态下实现了输出功率为120W的808nmVCSEL阵列。

国内主要是长春理工大学和长春光机所进行了808nm VCSEL的相关研究，主要在优化单管大孔径器件和阵列器件单元的结构方面进行研究，阵列器件的研制水平与国外仍有较大差距。
 

其中最重要的因素就是808nmVCSEL的顶发射结构使其阵列器件的热问题更加严重，因此有必要对其热特性进行深入的研究，探求改善高功率808nmVCSEL阵列器件热特性的有效途径。

审核编辑 黄宇