垂直腔體表面發(fā)射激光器理論特性與基于ISE TCAD的仿真研究.pdf

1、 新型的光電器件垂直腔體表面發(fā)射激光器（VCSEL）具有極低的閾值電流及高的轉(zhuǎn)換效率，且共振腔極短而容易產(chǎn)生單一縱模，出射激光的發(fā)散角度較小，較易與光纖耦合。又由于其在制造時可直接在晶片上做測試并且易于集成二維陣列，因此成為多芯片組件（MCM）波導光互連技術的首選光源。
論文對 VCSEL 的原理、基本結(jié)構(gòu)進行了論述，從半導體物理的角度討論了激光產(chǎn)生的條件，研究了半導體激光器的起振原理，分析了造成二極管激光器結(jié)構(gòu)不斷演變

2、的關鍵動力及主要技術，并對激光器的光模式特性及求解光場的主流仿真方法進行了簡述。
以激光原理為基礎，從兩個基本速率方程出發(fā)，詳細推導了矩形截面一般結(jié)構(gòu) VCSEL 的閾值電流表達式，該公式表明 VCSEL 的閾值電流主要與腔體損耗、材料增益曲線、實際發(fā)光區(qū)域及泄漏電流程度有關。通過對表達式的討論得出了幾種可以減小閾值電流的辦法，包括降低腔體損耗，減小有源區(qū)發(fā)光孔徑及采用應變量子阱材料等。針對氧化限制型內(nèi)腔接觸式結(jié)構(gòu) VCS

3、EL，提出了一種可能的閾值電流修正形式。
論文研究了適用于二維量子阱二極管激光器仿真的載流子“捕獲”模型，給出了器件不同區(qū)域?qū)牟煌倪B續(xù)性方程。利用 ISE TCAD 對具體的矩形截面VCSEL 結(jié)構(gòu)進行了仿真，給出了 VCSEL 基本 P-I 特性、I-V 特性、材料增益隨注入電流變化關系及近場光強分布的仿真結(jié)果。仿真結(jié)果顯示，理想情況下 VCSEL的閾值電流量級在數(shù)毫安以下，隨著發(fā)光孔徑的增大，閾值電流增加，一階橫