黃 晶，楊 輝，陳 鵬

（上饒職業(yè)技術學院，江西 上饒 334109）

1 藍光VCSEL激光器研究綜述

1977年，日本東京技術研究所提出了一種垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL），到1989年才在室溫下實現連續(xù)波激射［1］。VCSEL光波不是平行晶圓表面發(fā)射，而是垂直晶圓表面發(fā)射，腔體由外延層的兩個表面形成，并且從其中一個鏡面垂直光輸出［2－3］。VCSEL激光器具有體積小、閾值電流低、圓形輸出斑點、易于集成大面積陣列等優(yōu)點，廣泛應用于工業(yè)技術領域。當前制備藍光VCSEL激光器技術尚未成熟，2008年9月廈門大學報道了中國首次實現室溫光泵浦條件下GaN基VCSEL的激射［4］，但較難穩(wěn)定激光輸出。其他的研究大都是研究長波長VCSEL激光器的應用，如，Wang等［5］研究了具有850 nm內腔亞波長光柵結構的可調諧VCSEL，Zhang等［6］研究了穩(wěn)定偏振VCSEL的光束形狀，王彪等［7］探討了基于紅外光譜技術的VCSEL型二氧化碳氣體檢測系統，王小龍等［8］使用內腔亞波長光柵設計850 nm可調諧垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）結構，胡文杰等［9］分析了VCSEL在閃耀光柵作為外腔反饋時的直流和微波調制特性，為微波調制VCSEL及其他半導體激光器應用提供了參考。

當前，藍光VCSEL激光器的制備仍面臨巨大挑戰(zhàn)。對制備材料的折射率、膜厚、有源區(qū)發(fā)光波長的精確控制十分困難，對生產設備的性能要求很高，研究成本高。采用Ta2O5／SiO2分布式布拉格反射鏡來設計藍光VCSEL激光器，研究周期數、膜厚偏差與腔長厚度偏差對藍光VCSEL激光器的激光輸出影響，為藍光VCSEL激光器的工業(yè)生產提供指導性建議。

2 藍光VCSEL激光器結構設計

2.1 分布式布拉格反射鏡的設計分析

分布式布拉格反射鏡（以下簡稱DBR）由多層高折射率和低折射率材料交替組成，每層的光學厚度為發(fā)射波長的1／4。以Ta2O5／SiO2DBR為例，如果使用有機化學氣相沉積系統制備藍光波段高反射率Ta2O5／SiO2的DBR，其結構由SiO2和Ta2O5兩種材料交替而成，折射率分別為1.46和2.15。

設計的DBR中心波長以457 nm為例，SiO2的折射率n1＝1.46，Ta2O5的折射率n2＝2.15；令厚度分別為d1和d2，則由膜厚計算公式得

分別計算了不同周期的Ta2O5／SiO2DBR對457 nm中心波長的光的反射率。軟件仿真建模如圖1所示。

圖1 DBR建模

1）設置好不同周期的Ta2O5／SiO2DBR；2）選擇光源，光源選擇是平面波，波長范圍設置在350～600 nm，光源放置于Ta2O5／SiO2DBR下方，光從下往上打向Ta2O5／SiO2DBR；3）添加測試器，只需要檢測模型的透射率和反射率，在DBR上方添加反射率測試器，透射率等于1減去反射率；4）仿真計算；5）仿真結果分析。

計算完成后將數據以txt文件格式導出，再導入繪圖軟件，得到不同周期DBR的反射率如圖2所示。

圖2 不同周期DBR的反射率曲線

從圖2可以看出，當Ta2O5／SiO2DBR的周期數從4增加到10時，中心波長的反射率不斷增大，即透射率不斷減小。當周期數為4時，中心波長的透射率為0.17，反射率為0.83；當周期數為5時，中心波長的透射率為0.09，反射率為0.91；當周期數為6時，中心波長的透射率為0.06，反射率為0.94；當周期數為7時，中心波長的透射率為0.02，反射率為0.98；當周期數為8時，中心波長的透射率為0.01，反射率為0.99；當周期數為9時，中心波長的透射率為0.005，反射率為0.995；當周期數為10時，中心波長的透射率為0.002，反射率為0.998。為滿足VCSEL激光器的要求，需要一塊全反射鏡和一塊部分反射鏡。在VCSEL激光器中，可以選擇較高反射率的Ta2O5／SiO2DBR作為部分反射鏡，選擇高反射率的Ta2O5／SiO2DBR作為全反射鏡。這樣，457 nm附近波長的激光器諧振腔即能達成。

2.2 藍光VCSEL激光器的設計分析

藍光VCSEL器件的軟件建模如圖3所示。

圖3 VCSEL器件的結構示意圖

2.2.1 底層DBR周期數與VCSEL器件的輸出光譜分析

當VCSEL的頂層Ta2O5／SiO2DBR為5個周期時，底層DBR依次為5、6、7、8、9、10個周期時，VCSEL激光器輸出光譜如圖4所示。由于VCSEL激光器底層反射鏡是全反射鏡，腔內的激光不會從底部DBR輸出，幾乎全部返回腔內產生光的自激振蕩。底層Ta2O5／SiO2DBR的周期數應大于頂層高反射率DBR的周期數，保證激光器振蕩。從圖4可知，當底層DBR為10個周期時，其中心波長的光譜強度最強，隨著周期數的減少，其光譜強度也減少。當頂層Ta2O5／SiO2DBR周期數為5時，底層DBR周期數越多，VCSEL激光器的輸出光譜越強，VCSEL激光器的輸出特性也越好。

圖4 不同周期底層Ta2 O5／SiO2 DBR的輸出光譜

2.2.2 頂層DBR周期數與VCSEL器件的輸出光譜分析

當底層Ta2O5／SiO2DBR為10個周期時，頂層DBR依次為4、5、6、7、8個周期時，VCSEL激光器的輸出光譜如圖5所示。由于VCSEL激光器頂層反射鏡是部分反射鏡，腔內的光部分以激光形式輸出，部分返回腔內產生光的自激振蕩。頂層Ta2O5／SiO2DBR的周期數應小于底層高反射率DBR的周期數，才能保證激光器振蕩。從圖5可知，當頂層DBR由4個周期增加到8個周期時，其光譜強度先增加后減少，當周期數為6時，VCSEL器件的輸出光譜強度最強。

綜上，當底層Ta2O5／SiO2DBR周期數為10時，頂層DBR周期數為6，VCSEL激光器具有最強的輸出光譜，此時VCSEL激光器具有較好的輸出特性。

3 結論

諧振腔的底部需要選用周期較多的全反射DBR，頂部需要選用周期適當的部分反射DBR，可以得到較高性能的藍光VCSEL激光器。該研究可為VCSEL激光器的工業(yè)生產提供相應的指導。