垂直外腔面发射激光器的模拟分析 (2011年)
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垂直外腔面发射激光器的模拟分析
!
倪演海，戴特力，梁一平，杜! 亮，伍! 喻
（重庆师范大学 物理与电子工程学院 重庆市高校光学工程重点实验室，重庆 H###HF）
摘要：垂直外腔面发射激光器芯片的生长工艺要求精确到 ’5 量级，制作成本高，有必要用软件对设计好的 >I/<IJ
芯片进行仿真，实现优化。通过 KA/<B? 软件对已经设计好的一个底发射的 >I/<IJ 芯片结构进行仿真，获得了量
子阱有源区的带隙结构、材料增益曲线及子腔谐振谱线等特性。结果表明，A’L&M9 E L&M9KE M-L&M9 材料体系能够有
效地吸收
)#) ’5 的泵浦光，产生足够多的光生载流子（电子—空穴对），这些载流子能轻易地渡越应变补偿层，被量
子阱俘获，产生复合发光。其发光带隙 $( "N 8>，相应波长 CC" ’5，接近设计波长 C)# ’5。A’L&M9 的材料增益峰值
波长正好在
C)# ’5 处，增益系数高达 H ### =5
O $
。A’L&M9 E L&M9K E M-L&M9 量子阱的谐振峰值波长为 C)B ’5，与 C)#
’5 的分布布拉格反射镜（?PQ）的反射中心波长非常接近，其峰值功率高达 "B RP ，理论上能够获得较大的输出功
率。
关键词：
/
H
" S
分子；电声耦合；!
"
对称性；哈密顿量；杨G泰勒畸变；能级分裂
中图分类号：T4"H) 文献标识码：M! ! ! 文章编号：$DF"G DDCB（"#$$）#$G ##NNG #N
! ! 近几年来，一种新型的半导体激光器—光泵浦
半导体垂直外腔面发射激光器（ @U:3=&--; U+5U8R
9853=*’R+=:*, 78,:3=&- 8V:8,’&- =&73:; 9+,.&=8 853::3’1
-&98,
，@K<G>I/<IJ ）已 引 起 许 多 发达 国 家 的 重
视
［$］
。它具有半导体激光器的高效率、小体积、结构
紧凑易于集成以及可选波长范围极宽等优点，也具
有固体激光器的高功率和高光束质量等优点。除此
之外，还能在腔内插入锁模和倍频元件，获得飞秒量
级的超短脉冲输出和倍频光输出。因此，垂直外腔
面发射激光器在激光显示、光通信、激光雷达、大气
探测和生物医疗等诸多领域有着广泛的应用前景。
$CCF 年，美国的 W+X’8:9*7 等
［"GB］
成功研制了第
一台光泵浦半导体垂直外腔面发射激光器（
@K<G
>I/<IJ），引起了各国激光科学家及研究人员的极
大关注。随后的十几年，对 @K< G>I/<IJ 的研究得
到了迅速的发展，在一些具有国际水平的实验室，该
器件的理论和实验均取得了令人瞩目的进展。美
国、英国和瑞士等国在
@K<G>I/<IJ 研究方面投入
最多，也取得了极大的成功，在高功率和飞秒脉冲锁
模方面处于国际领先水平
［HGD］
；韩国的三星公司
［F］
等研究单位也做了大量的研究，取得了不错的成果；
我国的长春光机所和南开大学等科研机构和高校科
研小组
［)G$B］
也做了很多相应的研究工作，取得了一
些成果，但与国际水平还有不小的差距。经分析，其
原因之一在于材料生长的精度不够，原因之二在于
芯片的结构设计得还不够优化。为了获得预期的输
出性能，有必要在实验之前对芯片结构进行模拟分
析，得到最优化的芯片结构参数，再进行芯片的生
长，以避免不必要的浪费。因此，用
KA/<B? 软件对
一种底发射的光泵浦半导体垂直外腔面发射激光
器
［$H］
进行了模拟，得到其共振周期增益结构的材料
增益特性、量子阱有源区的带隙结构和子腔谐振谱
线等器件特性。
$ @K<G>I/<IJ 结构
由于泵浦光入射方向与激光发射方向的不同，
有 " 种形式的 @K<G>I/<IJ。一种是泵浦光与输出
光反向且成一定的夹角，如图
$（&）所示；另一种是
泵浦光与输出光同向且同轴，如图 $（Y）所示。前者
的优点是有较大的泵浦光斑，缺点是泵浦光耦合系
统较难架设，且得不到均匀泵浦；后者的优点是泵浦
光耦合系统容易架设，结构非常紧 凑，其缺点是
?PQ（?39:,3Y+:8R Y,&11 ,8.-8=:*,）必须特别设计为对
泵浦光透明。
!
收稿日期："#$#G #FG "F! ! 修回日期："#$#G $#G $$
资助项目：重庆市高校光学工程重点实验室重点项目（4*( #F#N）
作者简介：倪演海，男，硕士研究生，研究方向为垂直外腔面发射激光器；通讯作者：戴特力，IG5&3-：:8-3R&3 Z ;&0**( =*5( =’
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