《Optics & Laser Technology》：Large oxide aperture high-beam-quality vertical-cavity surface-emitting laser array with center vertical injection
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VCSEL阵列通过扩展ITO电极实现中心垂直注入，有效抑制边缘电流拥挤效应，提升基模功率占比，在室温至45℃下保持高斯单峰远场特性，阈值电流降低20%，且高温性能更优。
Feng Zhang|Ning Cui|Yu Mei|Jisheng Wang|Mi Xue|Lishan Fu|Baolu Guan
中国长春科技大学高功率半导体激光国家重点实验室，长春 130022
摘要
为了实现更高的功率输出，在垂直腔面发射激光器（VCSEL）阵列中增加氧化物孔径和单元数量是可取的。然而，大氧化物孔径边缘的电流拥挤效应严重影响了VCSEL阵列的光束质量，导致光束呈甜甜圈形状且耦合质量较低。本文通过使用扩展的氧化铟锡（ITO）电极，实现了一种具有更优高斯形状光束的中心垂直注入VCSEL（CVI-VCSEL）阵列。这种扩展的ITO电极增强了VCSEL中心的电流密度，有效缓解了电流拥挤效应并提高了基模功率。与传统的VCSEL阵列相比，10×10的CVI-VCSEL阵列在20微米孔径下，在连续波操作条件下仍能保持高斯形状的单瓣远场模式。此外，CVI-VCSEL阵列的阈值电流降低了20%。值得注意的是，随着环境温度的升高，CVI-VCSEL阵列的光束质量得到了改善，在45℃时实现了20分贝的边模抑制比。这种中心垂直注入VCSEL器件能够在VCSEL阵列中同时实现高功率和高光束质量，并且可以通过半导体微纳工艺轻松实现。进一步的结构优化和新材料组合可能会提高其他波长的VCSEL性能，并在未来扩展到更多应用中。
引言
垂直腔面发射激光器（VCSEL）阵列因其体积小、阈值低和易于集成而成为包括三维（3D）传感[[1], [2], [3], [4]]、雷达[[5], [6], [7]]和光通信[[8], [9], [10]]在内的应用中的关键组件。随着VCSEL阵列规模的扩大，光场模式和光束质量会下降，从而影响耦合质量和传感精度。单模和准单模VCSEL具有高斯形状的远场模式，在许多应用中更受欢迎。线性偏振模式可用于描述氧化限制VCSEL中的横向模式特性[11]。LP01模式作为基模，位于波导的中心，其特征是高斯强度分布。相比之下，LP11和LP21模式是高阶模式，位于波导的边缘，表现出多瓣强度分布。优化光束质量的关键是提高基模的功率。在传统的VCSEL中，电流沿VCSEL内部最短路径传输，并在氧化物孔径边缘聚集。这种不均匀的电流密度分布会导致高阶模式的增益更高[12]。可以通过小孔径[13]、椭圆形孔径[14]和亚波长光栅[15,16]等技术来控制横向模式，从而优化光束质量。然而，这些方法要求VCSEL具有极小的氧化物孔径尺寸，这会导致差分电阻增加和自热。
扩大发射区域是提高VCSEL输出功率的关键策略。然而，由于电流拥挤效应的强烈影响[17]，大孔径VCSEL更容易发射高阶模式。通过耗散高阶模式，Zn扩散[[18], [19], [20]]和表面浮雕[[21], [22], [23]]可以产生VCSEL的基模发射。尽管如此，由于电流拥挤效应，基模增益仍然相对较低。已经开发了各种结构来改善活性区域内的电流密度分布。N. Samal[24]利用活性区域两侧的氧化物孔径来控制电流分布，实现了20分贝的边模抑制比。Y. Hao[25]通过实施分布式环形电极优化了大面积VCSEL的光束质量。另一种方法是采用背面照明的VCSEL和全顶部p接触，这有助于缓解电流拥挤[[26], [27], [28]]，但氧化物孔径边缘附近的载流子密度积累通常仍然存在，从而限制了基模功率。此外，这种结构通常需要去除基板和特殊封装，主要适用于900纳米以上的波长。在我们之前的工作中[29]，通过使用石墨烯电极优化电流传输路径，从6微米孔径的VCSEL阵列实现了准单模输出。然而，石墨烯层容易受损，影响操作可靠性。因此，提高大孔径VCSEL阵列的光束质量仍需要更全面的解决方案。
在这项工作中，我们提出了一种中心垂直注入（CVI）拓扑结构，该结构抑制了电流拥挤并主动增强了中心载流子密度，同时保持了与标准顶部发射VCSEL制造的兼容性，适用于广泛的波长范围。氧化铟锡（ITO）作为CVI-VCSEL阵列的扩展顶部透明电极。电流通过扩展的ITO电极在波导中心垂直传输，成功缓解了大孔径CVI-VCSEL中的电流拥挤效应。波导中心的电流密度增加提高了基模的增益，从而改善了CVI-VCSEL阵列的光束质量。与传统的VCSEL阵列相比，CVI-VCSEL阵列在连续波（CW）条件下产生了全电流的高斯形状远场模式输出。基模的强度始终高于高阶模式。同时，优化电流传输路径使CVI-VCSEL阵列在更高温度下也能表现出优异的光束质量。据我们所知，关于横向模式与电流传输特性的研究仍然不足。因此，本文的目的是提供对宽带温度下准单模高功率VCSEL阵列的理论和实验支持。
设备制造和仿真
850纳米VCSEL的外延结构包括n型GaAs衬底、24对Al0.9Ga0.1As/Al0.12Ga0.88As作为n型分布式布拉格反射器（DBR）、3对In0.1Ga0.9As/Al0.4Ga6As作为多量子阱（MQWs）、一层Al0.98Ga0.02As作为氧化物限制层、16对Al0.9Ga0.1As/Al0.12Ga0.88As作为p-DBR以及一层p型掺杂GaAs作为顶部接触层。VCSEL阵列由100个单元组成，排列成10×10的正方形阵列。VCSEL单元的台面是
室温测试
传统VCSEL阵列和CVI-VCSEL阵列在室温下的连续波（CW）条件下进行了测试。图4(a)展示了两种阵列的功率-电流特性。CVI-VCSEL阵列中的基模通过减少电流拥挤效应获得了增强的增益，这使得CVI-VCSEL阵列的阈值电流降低了20%（从0.25 A降至0.2 A）。ITO的光吸收减少了CVI-VCSEL阵列的部分输出功率。
结论
我们设计并制造了一种具有扩展ITO电极的大氧化物孔径VCSEL阵列，该阵列在室温和高温下实现了准单模发射。通过将电流注入区域限制在VCSEL的中心，缓解了大孔径VCSEL阵列中的电流拥挤效应。与传统的VCSEL阵列相比，CVI-VCSEL阵列在基模区域的电流密度更加集中，从而实现了20%的降低
CRediT作者贡献声明
Feng Zhang：撰写——原始草稿、验证、方法论。Ning Cui：撰写——审阅与编辑、软件、概念化。Yu Mei：研究。Jisheng Wang：数据管理。Mi Xue：撰写——审阅与编辑。Lishan Fu：撰写——审阅与编辑。Baolu Guan：项目管理、资金获取。
资助
国家重点实验室基金（2024-CCLG-ZDSYS-004），北京市教育委员会（KM202410005028和040000546319525）。国家自然科学基金（60908012,61575008, 和 61775007）；北京市自然科学基金（4172011）。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
