1 中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室，北京 100083
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院，北京 100049
3 低维半导体材料与器件北京市重点实验室，北京 100083
为研究氧化限制结构孔径对940 nm垂直腔面发射激光器（VCSEL）特性的影响，制备了不同氧化孔径的940 nm VCSEL，并进行了测试分析。通过PICS3D软件对不同量子阱势垒材料的增益进行仿真计算，选取具有较高有源区材料增益的InGaAs/AlGaAs作为量子阱，并开展了增益-腔模失配设计。在设计优化的基础上，制备了6种氧化孔径的940 nm VCSEL，对其光电输出特性进行测试。结果表明：氧化孔径为4 μm的VCSEL，室温下斜率效率为0.93 W/A，最大功率转换效率为40.1%；氧化孔径为7 μm的VCSEL，室温下最大输出功率为12.24 mW；氧化孔径为2 μm的VCSEL，室温下最大基横模功率为2.67 mW。该器件在2 mA连续驱动电流下，在10~80 ℃的范围内均可实现边模抑制比大于45 dB的基横模输出。
激光器 垂直腔面发射激光器 氧化限制结构 基横模 孔径 激光与光电子学进展
2023, 60(15): 1514003
1 山东大学 激光与红外系统集成技术教育部重点实验室, 山东 青岛 266237
2 厦门市三安集成电路有限公司, 福建 厦门 361000
3 中国科学院半导体研究所, 北京 100083
4 山东大学 信息科学与工程学院, 山东 青岛 266237
氧化型垂直腔面发射激光器（VCSEL）在数据通信等领域具有广泛的应用，然而氧化型VCSEL是一种静电敏感型器件，静电放电(ESD)是导致其失效的主要原因之一，并且器件失效后很难判断问题的原因。本文对氧化型VCSEL进行了包括人体模式(HBM)、机器模式(MM)和元件充电模式(CDM)3种不同的ESD模式和过度电应力(EOS)冲击，以分析其具体失效原因。其中，在HBM模式中研究了不同极性的电压冲击对应的失效特征，然后分别采用反向I-V、正向L-I-V测试、发光显微镜（EMMI)和透射电子显微镜(TEM)等手段进行表征。结果表明，不同ESD模式表现出截然不同的损伤电压阈值，氧化型VCSEL容易遭受HBM和MM损伤，而对CDM模式不敏感。研究发现和ESD失效关联的特性及缺陷特征包括反向漏电增加、出光功率衰减、EMMI亮点等，而TEM作为最为直接有效的分析手段，不同ESD模式表现出不同的缺陷大小和位置等性质。这些研究结果有助于区分ESD故障和其它故障机制，并且能够精确地判断出引起失效的具体ESD模式，具有重要的意义。
垂直腔面发射激光器 静电放电(ESD) 失效分析 vertical cavity surface emitting lasers electrostatic discharge failure analysis 红外与激光工程
2022, 51(5): 2021G007
李明 1,2,3李耀斌 1,2,3邱平平 1,2,3颜伟年 1,2,3[ ... ]阚强 1,2,3,*
1 中国科学院半导体研究所 半导体材料科学重点实验室，北京 100083
2 中国科学院大学 材料与光电研究中心，北京 100049
3 低维半导体材料与器件北京市重点实验室，北京 100083
研究了表面光栅结构对垂直腔面发射激光器(VCSEL)的偏振控制作用。引入表面光栅后，对不同刻蚀深度下的偏振相关的镜面损耗进行了仿真，结果表明表面光栅刻蚀深度在44~130 nm范围内均可实现稳定偏振，具有较大的工艺容差。表面光栅VCSEL在基横模工作状态下偏振抑制比(Orthogonal Polarization Suppression Ratio, OPSR)超过20 dB，偏振光谱峰间偏振抑制比达到40 dB，且在多横模状态也实现了有效的偏振控制。为了进一步验证光栅对偏振控制的效果，制作了方向互相垂直的两种表面光栅，具有这两种方向光栅的VCSEL的OPSR均达20 dB以上。测试分析表明表面光栅是VCSEL实现稳定偏振的一种有效手段。
垂直腔面发射激光器 表面光栅 偏振控制 偏振抑制比 vertical cavity surface emitting laser surface grating polarization control orthogonal polarization suppression ratio 红外与激光工程
2022, 51(5): 20210332
1 华中科技大学武汉国家光电研究中心，湖北 武汉 430074
2 宁波元芯光电子科技有限公司，浙江 宁波 315000
3 浙江大学信息与电子工程学院，浙江 杭州 310058
4 武汉光迅科技股份有限公司，湖北 武汉 430074
5 中国科学院半导体研究所，北京 100083
介绍一种新型的850 nm单模面发射分布反馈激光器(SEDFB)。采用浅脊波导表面光栅结构提供足够的光反馈，采用含λ/4相移的二阶光栅在实现面发射的同时获得单纵模特性。采用方形氧化孔径构成无源分布布拉格反射镜(DBR)—有源分布式反馈区(DFB)—无源DBR三段结构，从而减小电流注入的有源区体积，获得了与垂直腔面发射激光器(VCSEL)类似的低阈值特性。对于50 μm有源区长度的SEDFB，其阈值电流为1.8 mA，当注入电流为6.5 mA时，SEDFB的边模抑制比(SMSR)高达47 dB。同时，该激光器在注入电流为9 mA的情况下获得了17 GHz的弛豫振荡频率。SEDFB实现了准圆形光斑的面发射输出，其远场光斑发散角的半峰全宽约为21°×26°。
激光器 半导体激光器 面发射激光器 分布反馈激光器 表面光栅 阈值电流 单模 中国激光
2022, 49(12): 1201006
1 山东大学 激光与红外系统集成技术教育部重点实验室，山东青岛 266237
2 厦门市三安集成电路有限公司，福建厦门 361000
3 中国科学院半导体研究所，北京 100083
4 山东大学 信息科学与工程学院，山东青岛 266237
氧化型垂直腔面发射激光器（VCSEL）在高速光通信中有着广泛的应用，应用过程中的可靠性是一个非常重要的指标，要求有高寿命和低失效率。为了更好地了解VCSEL在应用过程中的失效模式和机理，提升器件的可靠性，本文从器件设计、加工制造和应用过程等3个环节总结分析了氧化型VCSEL的常见失效模式、产生原因和机理，并提出了适当的改善措施和建议。其中，对氧化应力、静电放电和湿气腐蚀这3个主要失效因素进行了更为详细的分析。基于以上对业界研究工作的总结和分析，最后对实际工作中遇到的VCSEL失效案例进行简单的介绍，为VCSEL学者、研发设计、制造和使用人员提供一个较为全面的失效分析案例库。
VCSEL 氧化物 失效模式和机理 可靠性 VCSEL oxide failure modes and mechanisms reliability
1 中国科学院半导体研究所材料科学重点实验室，北京 100083
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院，北京 100049
理论分析了内部损耗、内量子效率对激光器输出功率的影响，并采用PICS3D软件对852 nm法布里-珀罗（FP）激光器进行综合优化设计。设计的器件具有小远场发散角、低内部损耗和高内量子效率等特点，并在大电流下能够实现稳定的高功率输出。实验制备了基横模852 nm FP激光器，内部损耗小于1 cm-1，快轴发散角为42.3°，慢轴发散角为5.6°，未镀膜情况下的单边输出功率为115 mW。理论分析结果和实验结果表明，在增加波导层的厚度同时对波导层非掺杂可以降低载流子导致的光的吸收，减小激光器内部损耗。通过增大上覆盖层AlGaAs材料中的Al组分和掺杂浓度，可以有效地抑制载流子泄漏，确保激光器实现高内量子效率。
激光器 低内部损耗 高内量子效率 基横模 激光与光电子学进展
2022, 59(3): 0314001
Author Affiliations
Abstract
1 Science and Technology on Monolithic Integrated Circuits and Modules Laboratory, Nanjing Electronic Devices Institute, Nanjing 210016, China
2 Key Laboratory of Semiconductor Materials Science, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China
In this Letter, we reported the preliminary results of an integrating periodically capacitive-loaded traveling wave electrode (CL-TWE) Mach–Zehnder modulator (MZM) based on InP-based multiple quantum well (MQW) optical waveguides. The device configuration mainly includes an optical Mach–Zehnder interferometer, a direct current electrode, two phase electrodes, and a CL-TWE consisting of a U electrode and an I electrode. The modulator was fabricated on a 3 in. InP epitaxial wafer by standard photolithography, inductively coupled plasma dry etching, wet etching, electroplating, etc. Measurement results show that the MZM exhibits a 3 dB electro-optic bandwidth of about 31 GHz, a Vπ of 3 V, and an extinction ratio of about 20 dB.
130.3120 Integrated optics devices 250.4110 Modulators 230.4205 Multiple quantum well (MQW) modulators Chinese Optics Letters
2019, 17(6): 061301
1 华侨大学信息科学与工程学院, 福建 厦门 361021
2 中国科学院半导体研究所, 北京 100083
提出了一种复式晶格二维石墨烯等离子激元晶体结构, 该结构由包含4个石墨烯纳米盘的原胞周期性排列组成。通过有限元法迭代求解本征频率, 得到了石墨烯等离子激元晶体的能带结构和态密度。数值仿真结果表明, 所提出的结构存在完全光子带隙, 带隙宽度可达5.7 THz, 且其位置和带宽可以通过改变石墨烯的化学势来调谐。该结构可以应用在高密度表面等离子激元集成回路和等离激元片内交叉互联技术中。
表面光学 完全带隙 有限元方法 石墨烯 表面等离子激元 态密度 激光与光电子学进展
2017, 54(5): 052401
Author Affiliations
Abstract
Key Laboratory of Semiconductor Materials Science, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China
We report a 1.8 μm two-section distributed Bragg reflector laser using butt-jointed InGaAsP bulk material as the waveguide core layer. The threshold current is 17 mA and the output power is 8 mW on average. The threshold current, output power, and emitting wavelength dependences on temperature are measured. The obtained wavelength tuning range is 10 nm. This device has potential applications in simultaneous multiple-gas detection.
140.0140 Lasers and laser optics 140.5960 Semiconductor lasers 140.3600 Lasers, tunable 140.3570 Lasers, single-mode Chinese Optics Letters
2015, 13(4): 041401
