摘要:液晶与垂直腔面发射半导体激光器(VCSELs)阵列结合可实现波长可调谐、偏振精确控制等, 同时液晶的引入也会改变垂直腔面发射半导体激光器阵列的热特性, 本文设计了表面液晶-垂直腔面发射激光器阵列结构, 并开展了阵列的热特性实验研究. 对比分析了向列相液晶层对VCSEL阵列热特性的影响, 实验结果表明, 1 × 1, 2 × 2, 3 × 3三种表面液晶-VCSEL阵列的阈值电流温度变化率最高可降低23.6%, 热阻降低26.75%; 同时, 激光器阵列各发光单元之间的温度均匀性显著提高, 出光孔与周围温差小于0.5 ℃. 综上所述, VCSEL阵列中液晶层的引入不仅大大加速激光器阵列单元热量扩散, 而且降低了有源区结温, 提高了VCSELs激光器阵列热特性, 为实现高光束质量的单偏振波长可控VCSEL激光器阵列打下了良好的理论和实验基础.
关键词: 垂直腔面发射激光器/
阵列/
液晶/
热特性

English Abstract

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随着信息化时代科学技术的高速发展, 高性能垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列已成为面向高速高密度集成的光互联核心器件, 其具有自身独特的圆形对称光斑、小体积、低功耗和高密度阵列集成^[1-3]等特点, 因此, 易制成大功率阵列激光器件^[4], 并具有重要的商业和军事价值并被广泛地应用到固体激光器抽运、激光引信、高速脉冲测距、红外照明及倍频激光光源^[5-8]等领域中. 然而, 随着科学技术的不断发展, 对激光器阵列光源光束质量提出了越来越高的要求, 例如在多光束可操控光源、矢量图像处理、光学相控阵及空间光调制传感等高新技术领域应用中, 往往需要VCSEL阵列光束具有高功率、窄线宽的同时, 还要实现波长可调谐、波数控制、偏振精确控制等^[9], 因此, 在实现更高光束质量控制中, 液晶-VCSEL受到人们越来越多的关注. Castany等^[10]通过将液晶置于谐振腔内, 制备了1550 nm腔内液晶波长可调谐器件, 实现了调谐电压小于3 V时的波长调谐范围大于30 nm的偏振光输出; Pan等^[11]提出了一种将相干耦合VCSEL阵列与液晶光学相控阵直接集成的电控光束控制芯片; Frasunkiewicz等^[12]仿真模拟了波长调谐范围68.5 nm的液晶可调谐器件; Panajotov等^[13,14]将VCSEL芯片置于胆甾相液晶盒内, 在理论上研究了光谱、阈值以及偏振特性, 并证明了在一定的温度控制下, 能实现圆偏振光输出, 同时还将VCSEL芯片置于液晶盒内制备外腔液晶可调谐激光器, 实现了激射波长、偏振态和激射阈值的可变性^[15]. 本实验室前期开展了一系列表面液晶-VCSEL研究工作, 实验发现表面液晶层的引入, 有效扩大了VCSEL的正交线偏振态稳定范围和光功率差, 增加了线偏振光的各向异性^[16]. 虽然液晶与VCSEL阵列结合可以实现波长可调谐、波数控制、偏振精确控制等, 但对于VCSEL阵列而言, 其具有高密度阵列集成的特点, 会有十分明显的热集聚效应^[17], 因此, 本文在前期工作基础上, 针对表面液晶-VCSEL阵列器件, 详细研究了液晶的引入对VCSEL阵列的热特性造成的影响, 研究发现液晶层的引入不仅大大改善了液晶VCSEL阵列的热特性, 降低了由于集成阵列单元而引起的阈值-温度系数, 而且提高了热饱和输出功率, 使得激光器阵列表面温度均匀性小于0.5 ℃, 为实现高光束质量的单偏振波长可控VCSEL激光器阵列打下了良好的理论和实验基础.

图1为表面液晶-VCSEL阵列的结构示意图, 本实验所用器件结构采用金属有机物化学气相淀积技术在n型GaAs衬底上外延生长而成. 从GaAs衬底自下而上依次生长n型分布布拉格反射镜(DBR)、有源区、氧化限制层、p型DBR和欧姆接触层. 其中n型(Si掺杂) DBR由34.5对Al_0.90Ga_0.10As/Al_0.12Ga_0.88As组成, 有源区由3对6 nm厚的GaAs量子阱和8 nm厚的Al_0.30Ga_0.70As势垒构成, 其中心波长为850 nm, p型(C掺杂)掺杂DBR由21对Al_0.90Ga_0.10As/Al_0.12Ga_0.88As组成. 而位于有源区和p型DBR之间的氧化限制层(Al_0.98Ga_0.02As)厚30 nm, 经过湿氮氧化工艺后形成Al_xO_y层, 从而形成电流和光场的分布限制.
图 1 表面液晶-VCSEL阵列结构示意图　(a)横截面图; (b)俯视图
Figure1. Structure of independent addressable surface liquid crystal VCSEL array: (a) Cross section; (b) top view.

在VCSEL阵列的制备过程中, 首先通过光刻技术在外延片上表面获得圆柱形台面的光刻图形, 然后使用DBR腐蚀液(体积比为甲醇∶磷酸∶双氧水 = 3∶1∶1)通过湿法腐蚀得到圆柱形台面, 腐蚀深度2.7 μm, 暴露出氧化限制层侧壁. 采用湿氮氧化法在400 ℃高温下对Al_0.98Ga_0.12As层横向氧化, 得到直径20 μm的氧化限制孔. 再通过等离子增强化学气相淀积在外延片上淀积生长一层300 nm厚的SiO₂作为电绝缘层, 再次光刻腐蚀, 去掉出光孔上方的SiO₂. 第三次光刻并溅射Ti/Au 150 ?/3000 ?, 剥离工艺获得出光孔和注入电极, 减薄衬底至150 μm后, 溅射AuGeNi/Au 500 ?/3000 ?, 作为背面电极, 并在270 ℃条件下进行35 s退火处理, 使电极与半导体材料形成良好的欧姆接触. 最后利用光刻型聚酰亚胺(PI)在注入电极上制作5 μm深凹槽, 涂布液晶.

在制备完成表面液晶-VCSELs阵列的基础上, 通过测量引入液晶前后1 × 1, 2 × 2, 3 × 3三种阵列的特征温度、单管阈值电流温漂率、斜率效率、饱和光功率、热阻、热串扰和温度分布等参数, 对比分析液晶的引入对VCSEL阵列热特性的影响.
半导体激光器的特征温度T₀是表征半导体激光器温度稳定性的一个重要参数, 它与激光器所使用的材料与结构有关^[18]. T₀越高, 激光器的温度稳定性越好, 即温度对激光器特性的影响越小. 可以通过I_th随T的变化关系${I_{{\rm{th}}}}\left({{T_{\rm{r}}} + \Delta T} \right) = $${I_{{\rm{th}}}}\left({{T_{\rm{r}}}} \right) \exp [ (T - T_{\rm r})/T_0] $计算出器件的特征温度T₀^[19], 其中T_r为室内温度, ${I_{{\rm{th}}}}\left({{T_{\rm{r}}}} \right)$为室温下的阈值电流, 阈值电流I_th可通过P-I曲线二次微分法确定, lnI_th随温度T的变化如图2内图例插图所示, 经计算引入液晶前后不同温度下各阵列的特征温度及阈值电流温漂率如图2所示, 其特征温度分别由无液晶时的187, 292和346 K提高到288, 396和438 K, 增幅可达54%, 40.43%和26.59%, 由此可见, 液晶的引入增大了激光器阵列的特征温度. 这是由于液晶取代空气成为激光器阵列各发光单元之间的导热介质, 同时, 液晶分子平行于激光器阵列表面分布(液晶的平行热导率κ_//为0.22 W/(m·K)^[20], 25 ℃时空气的热导率κ_{air, 25 ℃}为0.026 W/(m·K)). 液晶通过较大的热导率加速了有源区热量扩散, 减少有源区内部的非辐射复合, 使激光器阵列获得了较大的特征温度. 当阵列的温度从25 ℃加热至70 ℃时, 激光器内部损耗与有源区热载流子泄漏随之增加, 导致阈值电流变大, 而引入液晶能显著地降低阵列中单管的阈值电流温漂率, 正如图2所示, 当热损耗功率不变时, 在液晶的作用下使得有源区热量扩散增快, 减缓结温的增长, 因此, 液晶VCSEL阵列阈值电流温漂率显著降低.
图 2 引入液晶前后各阵列的特征温度和阈值电流温度漂移率
Figure2. Characteristic temperature and threshold current temperature drift rate of each array before and after introducing liquid crystal (LC).

研究表明, 液晶温度可达到清亮点以上360 K^[21], 并且随着温度的升高, 液晶将进一步改善VCSEL光束输出双稳态特性. 图3为不同温度下表面液晶VCSEL阵列斜率效率变化曲线. 从图3(a)可知, 对于无液晶的1 × 1, 2 × 2, 3 × 3 VCSEL阵列, 从25 ℃到70 ℃, 其斜率效率随温度的升高显著降低, 其中对于3 × 3阵列的斜率效率减幅多达26.86%, 由此可见温度对斜率效率的影响随着阵列数目的增大而加剧. 而对于液晶VCSEL阵列, 如图3(b)所示, 三种阵列随温度的升高斜率效率降低, 但其与未引入液晶的三种阵列相比, 三种阵列的斜率效率均有所提升, 且斜率效率的下降速率明显变缓, 其中对于3 × 3阵列改善最为明显, 斜率效率的减幅由原来无液晶时的26.86%降低至15.16%, VCSEL阵列由于其内部热量积聚增多, 引起结温升高, 内部损耗增大, 故而造成斜率效率的下降, 液晶层的引入显著降低了阵列温度对斜率效率的影响, 进而改善管芯散热环境, 降低工作温度从而提高功率转换效率^[22].
图 3 不同温度下各阵列斜率效率　(a)无液晶; (b)有液晶
Figure3. Slope efficiency of each array at different temperatures: (a) Without liquid crystal; (b) with liquid crystal.

图4为引入液晶前后不同温度下液晶VCSEL阵列的电流P-I特性曲线及饱和光功率光谱图. 与1 × 1单管VCSEL相比, 液晶VCSEL饱和光功率分别提升了约4%, 对于2 × 2阵列在25, 45和65 ℃这三种温度下, 引入液晶前的饱和光功率分别为36.51, 33.68, 31.19 mW, 引入液晶后饱和光功率分别提升了4.8%, 4.3%, 4.2%, 波长变化Δλ < 0.6 nm; 3 × 3阵列在25, 45和65 ℃这三种温度下, 引入液晶前的饱和光功率分别为47.24, 42.94, 40.54 mW, 引入液晶前后的饱和光功率分别提升了4.6%, 3.7%, 3.2%, 波长变化Δλ < 0.6 nm; 通过对比上述数据可知, 液晶VCSEL激光器阵列的饱和光功率均得到有效提升, 这是因为随着环境温度的升高, 有源区内部损耗增加, 内外量子效率降低, 导致输出光功率下降, 而液晶层的引入有效地降低了有源区的温度, 使其内部损耗和热载流子的泄漏减少, 因此, 在输入电功率相等时可获得更大的光功率和稳定的波长输出, 液晶-VCSEL阵列热阻对比如图5所示.
图 4 引入液晶前后不同温度下三种阵列的脉冲电流P-I曲线及室温时饱和光功率光谱图　(a), (d), (g) 1 × 1; (b), (e), (h) 2 × 2; (c), (f), (i) 3 × 3
Figure4. The P-I curves of each array at different temperatures before and after coating with LC and spectra at saturated optical power at room temperture (a), (d), (g) 1 × 1; (b), (e), (h) 2 × 2; (c), (f), (i) 3 × 3

图 5 引入液晶前后各阵列热阻比较
Figure5. Thermal resistance of each array before and after coating with LC.

由图5可知, 对于无液晶的1 × 1, 2 × 2, 3 × 3 VCSEL阵列, 其热阻值随阵列数目的增多而增加, 而引入液晶后的三种阵列, 其热阻值与三种无液晶阵列相比分别下降了26.75%, 22.09%, 14.70%. 液晶-VCSEL阵列表面温度分布如图6所示, 在无液晶情况下, 激光器出光孔与其四周的温差较大, 在2.3—2.6 ℃之间, 而引入液晶后, 其温差缩小至0.5 ℃以下. 这是因为液晶层能有效地将阵列有源区的热量导引至器件表面, 进而增加热量的横向传导, 减小出光孔与台面之间的温差, 使得热量在出光孔与台面之间微小的距离内传导时间极短, 更有利于激光器阵列温度均匀分布.
图 6 激光器阵列出光孔与周围温差
Figure6. Temperature difference between the optical hole of laser array and its surroundings.

本文通过对比分析了表面液晶VCSEL激光器阵列热特性的变化与影响, 研究发现激光器阵列表面引入液晶后, 1 × 1, 2 × 2, 3 × 3三种阵列的特征温度分别增大了54%, 40.43%和26.59%; 从25 ℃到70 ℃, 三种表面液晶VCSEL激光器阵列的阈值电流温度变化率最高可降低23.6%, 热阻降低26.75%, 激光器阵列各发光单元之间的温度均匀性显著提高, 出光孔与周围温差由原来的2.6 ℃下降至0.5 ℃以下, 阵列表面温度分布更均匀, 大大提高了表面液晶VCSEL激光器热特性. 综上所述, 在VCSEL阵列中引入液晶层, 可以加速激光器阵列单元热量扩散, 降低有源区结温, 可以实现更高的热稳定性和更优器件性能.