摘 要

垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL）具有许多出众的光学和电学特性，如单纵模出射，阈值电流低，发散角小，圆形光斑，稳定性高以及调制速率高等，这使得 VCSEL成为3D 成像，光通讯网络等应用的核心部件。为了提高VCSEL的光电效率，降低温度对VCSEL连续工作的影响，本文从它的特性分析和测试方法上去研究。

论文对VCSEL的技术参数的特性进行了分析，主要是研究光功率输出特性，温度特性和外延生长技术的特性分析。VCSEL的工作环境受温度影响很大。

VCSEL无论是在封装前还是封装后，都可以对其性能进行测试。论文研究了VCSEL的测试方案，通过有限元分析法将VCSEL器件分为无限个均等的小单元进行分析。

为了验证测试方案的可行性，论文对VCSEL的测试进行了基于ISE TCAD 的测试仿真，成功得到了伏安特性关系，工作状态与温度的关系等数据，并对这些数据绘制成图进行分析。

关键词：垂直腔面发射激光器，有限元分析，ANSYS ，ISE TCAD

Abstract

The vertical-cavity surface-emitting Laser (VCSEL) has many outstanding optical and electrical characteristics, such as single longitudinal mode emission, low threshold current, small divergence Angle, circular spot, high stability and high modulation rate, which makes the VCSEL a core component for 3D imaging, optical communication network and other applications.

In order to improve the photoelectric efficiency of VCSEL and reduce the influence of temperature on the continuous work of VCSEL, this paper studied it from its characteristic analysis and test method.

This paper analyzes the characteristics of VCSEL's technical parameters, mainly including the characteristics of optical power output, temperature and epitaxial growth.The working environment of VCSEL is greatly affected by temperature.

VCSEL can be tested before and after packaging.In this paper, the VCSEL test scheme is studied, and the VCSEL devices are divided into equal and infinite small units for analysis by finite element analysis.

In order to verify the feasibility of the test scheme, this paper carried out the test simulation of VCSEL based on ISE TCAD, and successfully obtained the data such as the relationship between volt-ampere characteristics, working state and temperature, and drew the graph of these data for analysis.

Keywords: Vertical cavity surface emission laser, Finite element analysis, ANSYS, ISE TCAD

目录

第1章 绪论 1

1.1 VCSEL的发展历程 1

1.2 VCSEL的特点 1

1.3 VCSEL的应用研究 3

1.3.1泵浦方面的应用 3

1.3.2光通信方面的应用 4

1.3.3 VCSEL阵列的应用 4

1.3.4激光打印技术 6

1.3.5激光显示 6

第2章 VCSEL技术参数的特点分析 7

2.1光功率输出特性 7

2.2增益和电流密度的关系 8

2.3温度特性分析 8

2.4外延生长技术的特性分析 8

2.4.1分子束外延 9

2.4.2液相外延 9

第3章VCSEL测试的关键技术研究 10

3.1 VCSEL的出光特性 10

3.2有限元分析的温度测试 11

3.2.1有限元热分析的原理 11

3.2.2 ANSYS 软件的测试过程 12

3.3激光器的输出特性和热效应 15

第4章 测试仿真实现 17

4.1仿真时研究的VCSEL的具体结构 17

4.2激光器的具体仿真过程 17

4.3仿真相关结果 18

4.3.1 VCSEL器件的基本P-I特性及材料增益-电流特性 18

4.3.2 VCSEL器件的 I-V 特性 19

4.3.3材料增益，功率，输出电流与发光孔径之间的关系 19

4.3.4阈值电流与发光孔径的变化曲线图 21

4.3.5波长与温度的关系 21

4.3.6光功率与温度的关系 22

4.3.7阈值电流与温度的关系 23

第5章总结 25

参考文献 26

致谢 27

第1章 绪论

1.1 VCSEL的发展历程

VCSEL（Vertical cavity surface emitting laser）中文名称为垂直腔面发射激光器，顾名思义，它是一种出光垂直于腔面的激光器。1977 年，日本东京工业大学的K.Iga教授首次提出VCSEL这个概念，但是由于它的单程增益长度很短，而且对精度要求很高，早期的研究条件无法达到，因此 VCSEL 早期的研究十分缓慢。两年后，K.Iga带领他的实验室采用液相外延技术，第一次通过电流注入实现了77K 温度下 GaInAsP 系列激光器脉冲激射，激射波长为 1.3μm，阈值电流为900；1983年将阈值电流降低到350，并在同一年实现了室温工作的VCSEL，其阈值电流略高，为1.2A。1989年制作出来了第一只室温下工作且阈值电流低的VCSEL。2005年，美国先进公司将VCSEL单管的输出功率提高到了3W。2010年，株式会社研制出超高光电转换效率的VCSEL，最高可达62%。制备VCSEL的难点步骤就是外延生长的制作，随着外延技术的不断发展更新，现在很多公司和实验室已经能够制造出反射率极高的半导体 DBR（Distributed Bragg Reflector，分布式布拉格反射镜）或者 DFB( Distributed Feedback Laser，分布式反馈反射镜）结构，VCSEL的研究进展开始突飞猛进。2014年，VCSEL开始进入大批量消费市场，用于智能手机端实现接近感测和自动对焦功能，之后的几年里，VCSEL在通信行业创造了巨额的收益。近几年，各大通信企业对VCSEL的研究方面投入了很大一部分资金，VCSEL已经成为世界各国光电子行业研究的重要课题，

1.2 VCSEL的特点

EEL(Edge Emitting semiconductor Laser，边发射半导体激光器）和VCSEL是目前市场化最广的两种激光器。两者之间最显而易见的区别就是：EEL发射出的光是平行于衬底，而VCSEL发射出的光是垂直于衬底。图1.1和图1.2为两种激光器的轮廓图。

图1.1 边发射激光器

图1.2 垂直腔面发射激光器

图1.3为VCSEL的详细结构图。如图所示，VCSEL的中间为有源层，上下各一个分布式布拉格反射镜（DBR）。正常情况，激光是可以从上下两侧，垂直于衬底的方向射出的。如果在VCSEL的一侧制作金属接触层，可以形成欧姆接触，这样，光就只能从另一侧出来。VCSEL的谐振腔外边是二三十层的布拉格反射镜，这些反射镜是由不同反射率材料交替的薄膜组成。激光从谐振腔发出，起初光能很低，不足以透过布拉格反射镜发射出去，被反射回来，在两个反射镜之间多次反射，每次经过谐振腔的时候，都进行一次充能，直到能够透过布拉格反射镜出去，此时的激光能量高，发散角小。

由于VCSEL的特殊结构特点，它具有传统EEL所不具有的优势，具体如下：

1 VCSEL的出光波长与其材料的外延生长有关，所以它的波长更容易精确的控制；

2 VCSEL谐振腔长和波长比较接近，容易实现单纵模，从而可以降低工作噪声；

3 VCSEL的出射光是圆形的光束，远场发射角小，无需对光束进行整合就可以与光纤耦合；

4 VCSEL容易制成二维阵列；

5 可以对VCSEL进行在片测试，而传统的EEL只能封装完再测试，这样大大的提高了VCSEL的成品率；

6 由于VCSEL的有源区体积可以很小，因此器件有很低的阈值电流。

图1.3 VCSEL的结构

1.3 VCSEL的应用研究

自VCSEL问世已经四十多年，在这四十多年的时间里，VCSEL的应用也发展了很高的程度，比如在光纤通信，光信号处理等领域大展身手。正因为VCSEL具有传统边发射激光器不具备的功能，比如阈值电流低，光电转换效率高，容易形成阵列，耦合效果好，所以才能迅速地占领市场，成为各大光电子实验室的新宠。

1.3.1泵浦方面的应用

泵浦是一个物理概念，指的是是使用光将电子从原子或者分子的较低能级升高到较高能级的这么一个过程。使用 VCSEL可以制成具有泵浦结构的固体激光器，这种激光器结构紧凑，输出能量高，使用寿命较长，且应用的材料比较广泛。这种激光器被广泛的应用于军事上和医疗上，在军事上可以实现激光测距，激光制导，在医学上可以用作等离子诊断，激光脱毛。因为VCSEL在国防和医学的先进领域有着很大的作用，所以目前世界上的国家都很重视VCSEL的研究和发展。但是由于这种结构的激光器成本高昂，且制备时间长，因此难以应用在日常生活中，只能在运用在科技前沿。为了能让泵浦结构的激光器应用到生活中，方便人们的方方面面，我们更应努力的研究这种激光器。图1.4为端泵浦方式结构示意图，图1.5为侧泵浦方式的结构示意图。

图1.4 端泵浦方式 图1.5 侧泵浦方式

1.3.2光通信方面的应用

在光通信领域中，传统的多模光纤只适合短距离的信息传输，通常距离只有3km左右。为了能够长距离的传输信号，研究学者们引入了VCSEL，前面已经讲过，由于VCSEL的特殊结构，它与光纤极易耦合，耦合效率可以达到90%以上，并且成本低，生产效率高。将VCSEL引入光通信领域后，可以实现长距离的光传输。随着VCSEL在光通信领域的应用技术日渐成熟，目前已经可以实现VCSEL与光纤的自动耦合，并且可以大批量生产。目前正在实施的太平洋底下铺设光缆的跨国项目，采用的就是VCSEL耦合的光纤。

1.3.3 VCSEL阵列的应用

在第一小节中，我们讲到VCSEL的优点时，有一个就是容易制成二维阵列。当多个VCSEL单体形成二维阵列时，这个器件整体的功率就是所有单体的功率之后，因此，VCSEL阵列可以制成大功率器件。目前，VCSEL阵列应用比较广泛的地方就是医疗和红外照明方面。

在医疗方面，VCSLE阵列可以应用在手术激光刀上。传统的手术刀一般为金属，与激光刀相比会有很多的缺点。金属容易生锈，即使防护措施做得再好，也难以抵挡金属的氧化反应，因此传统手术刀的报废率更高，而且危害性更高。金属的延展性再好，其锋利程度也难以比过激光手术刀，因此使用激光刀可以操作更精密的微创手术。此外，激光刀不需要直接与患者的皮肤接触，因此就会少了很多的细菌感染，安全系数更高。

在红外照明方面，VCSEL主要应用在安防夜视监控。在夜晚，可见光非常微弱，如果有不安全物体的接近，在微弱的可见光下，人眼几乎难以察觉，而红外线不会有这种困扰。利用激光红外技术，可以监测到附近几十米区域的有热源的物体，即使可见光再微弱，即使隐蔽物再多，也难以逃脱红外照明的法眼。随着激光红外技术的不断发展，目前的安防夜视监控的监控范围可以扩大到上千米，连续监控时间可以达到24小时。图1.5和图1.6为 Princeton Optronics 公司研制的高功率红外 VCSEL 阵列的照明范围及照明效果图，可以看到其照明距离可达532m。

图1.5 夜间红外检测区航拍照片

图1.6 140W 808VCSEL 照射下CCD捕获的图片

1.3.4激光打印技术

传统的打印机采用的是LED阵列，那么VCSEL的打印机与传统打印机区别在哪呢?VCSEL可以发射出绿色或者蓝色的激光，这样可以提高打印机的分辨率和扫描速度，因此比传统的打印机速度更快。与传统打印机相比，VCSEL打印机消耗的电能更少，可以节省不少能源。随着技术的发展，VCSEL阵列的寿命在不断地增加，这对提高打印机的性能和利用率有了很大的帮助。目前存在的问题就是VCSEL激光打印机的造价相对来说比较高，不过在不久的未来，成本降下去之后，VCSEL激光打印机将会逐步取代目前的传统打印机。

1.3.5激光显示

目前能实现显示功能的器件有各种电子器件的显示屏，比如手机，电脑的屏幕，或者是投影仪的幕布，激光显示是下一代技术，它不需要显示屏，可以随时投影，方便携带。用于激光显示的激光器就是垂直腔面发射激光器。VCSEL的发光效率特别高，传统的投影灯泡一般是卤素灯泡，有很大一部分能量以热能的形式散发出去了。而VCSEL的电能消耗很少，产热也少，在室温下寿命可达十万多个小时。

第2章 VCSEL技术参数的特点分析

由于结构和工作原理的区别，VCSEL具有很多与传统边发射激光器不同的特性。下面将对VCSEL的这些技术参数进行分析。

2.1光功率输出特性

理论上，输出功率与腔内的光子密度是成正比的，可以写成输出×光子密度，那么根据布拉格反射镜的反射率，内部损耗和腔长度，是可以求出这个比例系数的。设顶部镜面反射率为，底部镜面反射率为，那么就可以表示镜面损耗为：

（1）

从顶部发射的能量为：

（2）

设为内部损耗，那么可以求出光子寿命为：

（3）

根据输出能量，内部损耗和镜面损耗，可以求出光学效率为：

（4）

则功率转化系数为：

（5）

最终可以得到输出功率P和光子密度S的关系为：

（6）

2.2增益和电流密度的关系

理论上，在光子能量和温度确定时，VCSEL的材料增益可以表示为：

（7）

其中，E为光子能量，T为温度，K为比例的慢变化因子，是联合态密度，和分别为下能级和上能级的费米函数，和分别为带隙和准费米级能量。

这是理论上的数值，但是当实际情况中，这个经验关系式的模型构建并不十分符合，要想真正探索出材料增益与电流密度的关系，还应该实际做实验测试。

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