他們的器件在大約 443nm 的波長(zhǎng)發(fā)射，并不是首個(gè)以這種方式工作的VCSEL 形式。甚至在世紀(jì)之交之前，GaAs VCSEL 就以單橫模工作方式運(yùn)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(fā)高次模）來實(shí)現(xiàn)的。但是，這種方法抑制了輸出功率——對(duì)于 850nm 的常見發(fā)射波長(zhǎng)，輸出功率通常至多為 3mW。

 

Sony 的設(shè)計(jì)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(qiáng)光約束。更重要的是，這種新型結(jié)構(gòu)使得 VCSEL 能夠具有一個(gè)較大的腔體，從而有助于光約束。

 

這個(gè)來自日本的研究團(tuán)隊(duì)制作了一個(gè)GaNVCSEL 產(chǎn)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(gè) n 型 GaN 襯底裝入 MOCVD 反應(yīng)室，并沉積一個(gè)外延堆棧，該堆棧包括一個(gè) n 型 GaN 層，一個(gè)具有 3 個(gè) InGaN 量子阱的活性區(qū)域，以及一個(gè) p型 GaN 層。接著進(jìn)行的是真空沉積（添加一個(gè)氧化銦錫層），隨后是一個(gè)頂端分布式布拉格反射器(DBR)，其由 7 對(duì) Ta2O5 和 SiO2制成。需要注意的是，這個(gè) DBR 中的材料層數(shù)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(duì) ITO 和 n 型 GaN 均進(jìn)行了選擇性反應(yīng)離子刻蝕之后，添加了一對(duì)由一個(gè) Ti/Pt/Au 堆棧制成的金屬觸點(diǎn)。連接至 ITO和 n 型 GaN 的觸點(diǎn)分別產(chǎn)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(yīng)離子刻蝕過程中充當(dāng)犧牲掩模，這產(chǎn)生一個(gè)彎曲的表面。最后，真空沉積增加了14 對(duì) Ta2O5 和 SiO2，以創(chuàng)建一個(gè)底端 DBR。

 

 

圖：Sony 的新型VCSEL 設(shè)計(jì)，具有一個(gè)彎曲的底部反射鏡，因而使得此類器件能夠執(zhí)行單橫模工作。

 

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

 

對(duì)具有曲率半徑為 51μm 的底部反射鏡的VCSEL 進(jìn)行的研究顯示，在電流孔徑為 6μm 的器件的發(fā)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(dǎo)致這些高次模的強(qiáng)度一次又一次地減弱，而當(dāng)該孔徑的大小僅為 3μm 時(shí)，則只存在與縱模相關(guān)聯(lián)的峰值。

 

另外，研究人員還仔細(xì)檢查了來自一對(duì)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(fā)射。對(duì)于具有 31μm 曲率半徑的產(chǎn)品變體，在發(fā)射光譜和遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖中觀察到了多個(gè)峰值，意味著執(zhí)行的是多模橫向操作。

 

形成鮮明對(duì)比的是，對(duì)于具有 51μm 曲率半徑的VCSEL，在高達(dá) 6mA 的電流條件下，在遠(yuǎn)場(chǎng)中發(fā)現(xiàn)了類高斯輪廓（Gaussian-like profiles）。根據(jù)這些結(jié)果，該研究小組得出結(jié)論：反射鏡的曲率半徑能夠控制單橫模操作。

 

在以 6mA 電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，該VCSEL 發(fā)射 3.2mW的輸出功率，并具有 30dB 的邊模抑制比。

 

參考文獻(xiàn)

 

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