半導(dǎo)體激光器的光學(xué)模式分布及遠(yuǎn)場發(fā)散角是衡量激光輸出質(zhì)量的重要參數(shù)，在器件設(shè)計(jì)、光學(xué)系統(tǒng)搭建及光束耦合等方面具有重要的參考價(jià)值。近期，天津賽米卡爾科技有限公司的技術(shù)團(tuán)隊(duì)基于先進(jìn)的TCAD仿真設(shè)計(jì)平臺開發(fā)出了半導(dǎo)體激光器的光學(xué)模型數(shù)據(jù)庫，并針對GaN基垂直腔面發(fā)射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL）的光學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究與優(yōu)化。如圖1所示，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：具有反相層表面浮雕（Anti-phase Surface Relief）結(jié)構(gòu)的布拉格反射鏡（Distributed Bragg Reflection，DBR）設(shè)計(jì)能夠有效地提高GaN基VCSEL的基模輸出特性，并減小光束的發(fā)散角。

圖1.（a）VCSEL R和A1至A3的激光輸出功率對比圖；（b）至（e）分別為VCSEL A1至A3以及VCSEL R的器件內(nèi)部光場分布

然而，具有表面浮雕結(jié)構(gòu)的DBR同時(shí)會(huì)導(dǎo)致器件的輸出功率下降。為解決該問題，我司技術(shù)團(tuán)隊(duì)提出通過調(diào)控空穴的注入路徑來控制不同模式的增益，最終提升GaN基VCSEL的基模輸出功率。如圖2所示，當(dāng)減小GaN基VCSEL的電流注入的孔徑尺寸時(shí)，VCSEL B2依然能夠保持高斯形態(tài)的單模激光輸出。此外，VCSEL B2有源區(qū)內(nèi)的增益覆蓋范圍與基模分布重疊率上升，與表面浮雕結(jié)構(gòu)所在范圍的重疊率下降，器件基模增益上升，激光器輸出功率相應(yīng)提高。

圖2. VCSEL B1至B3以及VCSEL A2的（a）一維橫向光場分布，（b）遠(yuǎn)場發(fā)散角和（c）光輸出功率對比圖

該成果最近被應(yīng)用物理領(lǐng)域權(quán)威SCI期刊Japanese Journal of Applied Physics收錄（Vol.62, Art. No.014003,2023, DOI: 10.35848/1347-4065/acaba0）

審核編輯黃宇