光子晶體結構分析設計與器件應用.pdf

1、垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)具有閾值低、穩(wěn)定性好、壽命長、調制速率高等優(yōu)點,并且具有光束沿垂直于基片向上發(fā)射,便于片上測試,光束發(fā)散角小,易于與光纖或其它光學器件耦合等特點,因此非常適合應用在并行光傳輸和互聯領域。但是,常規(guī)氧化限制型VCSEL要實現單模工作,氧化孔徑要求3-5微米,這不僅制作工藝困難,也限制了出光功率,而且串聯電阻也比較大,所以要獲得高功率單模激射是比較困難的。而光子晶體的引入為VCSEL提供了一個實現高功率單橫模

2、光輸出很好的途徑,光子晶體是一種介電常數呈周期性或者準周期性分布的材料,其物理特性主要有:光子晶體缺陷微腔的高品質因子,光子禁帶對自發(fā)輻射的調制作用,光子禁帶的極高反射率,光子晶體內光傳播的異常色散特性,光子能帶帶邊低群速度特性,光子晶體波導對橫向光場的調制作用等。由于半導體材料光子晶體的加工兼容微電子平面微納加工技術,因此光子晶體在光電集成方面具有廣泛的科學意義和應用價值。大功率基橫模光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器具有單橫模、高功率激射的

3、優(yōu)點,可應用于光互連、光存貯、精確定位等領域光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器是在VCSEL上DBR區(qū)刻蝕帶有缺陷的周期性分布的空氣孔,其結構類似于光子晶體光纖。光子晶體能控制激光器的光學模式,使得VCSEL在較大的氧化孔徑下依然保持單模工作,而大的氧化孔徑相應的出光孔徑大、出光功率高,既可實現VCSEL高功率單橫模輸出,又提高了其與單模光纖的耦合效率,同時器件的氧化工藝難度也會降低。因此光子晶體VCSEL成為科技工作者研究的熱點。
　　

4、 本論文基于光子晶體的基本理論,系統(tǒng)的對光子晶體進行了理論分析:(1)模擬了光子晶體的波導特性——利用FDTD方法模擬光子晶體的線缺陷,得到場的分布和傳輸特性;(2)計算了二維光子晶體的能帶圖以及Out-of-Plane能帶圖,從理論上分析了光子晶體模式選擇的特性;(3)研究VCSEL模式的理論分析方法,結合光子晶體光纖有效折射率模型,利用刻蝕因子γ對歸一化參數進行修正,總結出了光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器的理論設計方法。另外,本論文對

5、氧化限制型外腔式光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器注入到有源區(qū)的電流密度分布進行分析研究,提出三維電流分布計算模型,利用ANSYS軟件研究了光子晶體結構對電流密度分布和器件串聯電阻的影響。本模型對于研究、設計氧化限制型外腔式光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器提供了一個有用的分析方法。最后,根據上述理論方法,設計出能實現光子晶體VCSEL單橫模激射的器件結構參數,并將理論計算的結果應用到實驗中,成功制作了單橫模、低閾值、高功率光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器。

6、結果表明,理論與實驗相一致。
　　 在本實驗室的工藝條件下,探索出制備光子晶體VCSEL的關鍵工藝參數,分析了濕法氧化中溫度、氮氣流量等參數對氧化速率、質量的影響,實現了高鋁組分層的精密氧化控制:同時,用常規(guī)光學曝光成功制作了孔徑2μm的高質量光子品體結構,掌握了制作孔直徑2μm光子晶體結構的光刻工藝和感應耦合等離子體(ICP)干法刻蝕工藝;最后,通過實驗探索,研制出孔直徑2μm和周期4μm-7μm等不同結構的光子晶體垂直腔面發(fā)