对称氧化限制结构提高795 nm VCSEL单模功率

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2024.0303

人工晶体学报 ›› 2025, Vol. 54 ›› Issue (5): 809-818.DOI: 10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2024.0303

对称氧化限制结构提高795 nm VCSEL单模功率

贾秀阳¹(), 贾志刚¹^,²(), 董海亮¹^,², 陈小东¹, 高茂林¹, 许并社¹^,²^,³

1.太原理工大学新材料界面科学与工程教育部重点实验室，太原　030024
2.山西浙大新材料与化工研究院，太原　030024
3.陕西科技大学材料原子·分子科学研究所，西安　710021

收稿日期:2024-11-29 出版日期:2025-05-15 发布日期:2025-05-28
通信作者: 贾志刚，博士，讲师。E-mail：jiazhigang@tyut.edu.cn
作者简介:贾秀阳（1999—），男，山东省人，硕士研究生。E-mail：13583813362@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(21972103);国家自然科学基金(61904120);山西浙大新材料与化工研究院研发项目(2022SX-TD018);山西浙大新材料与化工研究院研发项目(2022SX-AT001);山西浙大新材料与化工研究院研发项目(2021SX-AT001);山西浙大新材料与化工研究院研发项目(2021SX-AT002);山西浙大新材料与化工研究院研发项目(2021SX-AT003);陕西省自然科学基金(2023-JC-QN-0552)

Symmetric Oxide Confinement Structure Improves 795 nm VCSEL Single-Mode Power

JIA Xiuyang¹(), JIA Zhigang¹^,²(), DONG Hailiang¹^,², CHEN Xiaodong¹, GAO Maolin¹, XU Bingshe¹^,²^,³

1. Key Laboratory of Interface Science and Engineering in Advanced Materials，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China
2. Shanxi -Zheda Institute of Advanced Materials and Chemical Engineering，Taiyuan 030024，China
3. Institute of Atomic and Molecular Science，Shaanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021，China

Received:2024-11-29 Online:2025-05-15 Published:2025-05-28

摘要/Abstract

摘要： 795 nm垂直腔面发射激光器（VCSEL）作为铷原子钟和量子陀螺仪的激光光源，一般采用单氧化限制结构保证单模输出，但这种结构输出功率较小且功耗较高。本文利用PICS3D软件首先对不同位置单氧化限制层进行模拟分析，结果表明，氧化限制层越靠近有源区，其对载流子的限制能力越强，因此在相同的注入电流条件下器件的输出功率越高。在此基础上设计了靠近有源区对称双氧化限制和四氧化限制结构VCSEL，与传统单氧化限制结构相比，多氧化限制结构VCSEL有源区有较高的电流密度，且输出功率与电光转化效率有较大提高。此外，本文还通过远场、近场分析了氧化限制层数量对器件光学性能影响，发现随着氧化限制层数量的增加，VCSEL高阶模式更多集中在出光孔处且远场发散角增大。本研究对于通过多氧化限制层优化VCSEL性能，平衡输出功率和光学性能具有参考意义。

关键词: 垂直腔面发射激光器; 对称氧化限制结构; 电流密度; 载流子浓度; 单模; 光场分布

Abstract: The 795 nm vertical-cavity surface-emitting laser （VCSEL）， commonly used as a laser source in rubidium atomic clocks and quantum gyroscopes， is generally designed with a single oxide confinement layer structure to ensure single-mode output. However， the output power in this structure is limited， and power consumption remains high. In this paper， PICS3D was used to simulate the position of single oxide confinement layer. The results demonstrate that as the oxide confinement layer is positioned closer to the active region， its ability to confine carriers increases. Consequently， under identical injection current conditions， devices exhibit higher output power. On this basis， symmetric double oxide confinement and quadruple oxide confinement structure VCSEL close to the active region are designed. Compared with traditional single oxide confinement VCSEL， multi oxide confinement VCSEL exhibits higher current density in the active region， the output power and power conversion efficiency are significantly improved. In addition， this paper also analyzes the effect of the number of oxide confinement layers on the optical performance of the device through the far-field and near-field， and finds that with the increase of the number of oxide confinement layers， the higher-order modes of the VCSEL are more concentrated in the exit aperture and the far-field divergence angle increases. This study is of great significance for optimizing the VCSEL performance using multiple oxide confinement and balancing the output power and optical performance.

Key words: vertical-cavity surface-emitting laser; symmetric oxide confinement structure; current density; carrier concentration; single-mode; optical field distribution

中图分类号:

TN248.4

贾秀阳, 贾志刚, 董海亮, 陈小东, 高茂林, 许并社. 对称氧化限制结构提高795 nm VCSEL单模功率[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(5): 809-818.

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图/表 11

图1 795 nm VCSEL结构示意图

Fig.1 Schematic diagram of 795 nm VCSEL structure

图2 VCSEL的驻波折射率分布图。（a）单氧化限制结构；（b）对称双氧化限制结构；（c）对称四氧化限制结构

Fig.2 Standing wave refractive index distribution diagrams of VCSEL. （a） Single oxide confinement structure；（b） symmetric double oxide confinement structure；（c） symmetric quadruple oxide confinement structure

图3 VCSEL的驻波折射率分布图

Fig.3 Standing wave refractive index distribution diagrams of VCSEL

图4 不同结构VCSEL的电学性能参数。（a）P-I曲线；（b）多量子阱受激辐射复合速率分布图

Fig.4 Electrical performance parameters of VCSEL with different structures. （a） P-I curves；（b） stimulated radiative recombination rate distribution in multiple quantum wells

图5 不同结构VCSEL多量子阱电子空穴浓度分布图

Fig.5 Electron-hole concentration distribution diagrams of different structured VCSEL with multiple quantum wells

图6 不同结构VCSEL的电学性能参数。（a） P-I-V曲线；（b）靠近n侧第一量子阱电流密度径向分布

Fig.6 Electrical performance parameters of VCSEL with different structures. （a） P-I-V curves；（b） radial distribution of current density near the first quantum well on the n-side

图7 不同结构VCSEL的电学性能参数。（a）受激辐射复合速率分布图；（b）PCE-I曲线

Fig.7 Electrical performance parameters of VCSEL with different structures. （a） Distribution of stimulated radiative recombination rate；（b） PCE-I?curves

图8 5 mA注入电流下，三个结构靠近N侧第一量子阱中电子净值分布（a）和空穴净值分布（b）

Fig.8 Net electron distribution （a） and net hole distribution （b） in three structures near the N-space first quantum well at 5 mA injection current

图9 不同结构VCSEL的远场分布图

Fig.9 Far field distribution of VCSEL with different structures

图10 不同结构三个模式径向的分布。（a）单氧化限制结构；（b）对称双氧化限制结构；（c）对称四氧化限制结构

Fig.10 Distribution of the three modes of different structures in radial direction. （a） Single oxide confinement structure；（b） symmetric double oxide confinement structure；（c） symmetric quadruple oxide confinement structure

表 1 不同结构VCSEL三个模式Γ值

Table 1 Γ of the three modes or VCSELs with different structures

Structure	Γ of the three modes/%
Structure	LP₀₁	LP₁₁	LP₂₁
Single oxide confined	92.4	71.8	47.4
Double oxide confined	94.8	80.5	63.4
Quadruple oxide confined	95.9	84.7	71.5

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对称氧化限制结构提高795 nm VCSEL单模功率

Symmetric Oxide Confinement Structure Improves 795 nm VCSEL Single-Mode Power

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