引言

垂直腔面发射半导体激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）具有无腔面损伤、可快速调制、面阵式出光、圆形均匀对称光斑等独特优点，近年来在3D面部识别、激光雷达、Augmented Reality（AR）/ Virtual Reality（VR）技术中得到广泛应用和发展^[1,2]。上述应用领域所使用的VCSEL为多达数百个发光点组成的列阵形式，这种列阵结构具有远高于传统光通信行业的激光功率水平，被称为高功率VCSELs^[3,4,5]。在高功率VCSELs的应用领域，3D面部识别及AR/VR等技术具有较近的光学感应距离，因此对VCSEL激光输出功率要求不高，一般在瓦级左右，其波长一般在940 nm以降低外部环境光干扰。VCSEL系统具有更高的集成度、更紧凑的光学系统，以及由此带来的更低的成本和体积，近年来，更高功率的VCSEL列阵技术获得了激光雷达系统的青睐。激光雷达所需的VCSELs激光功率需达到数十瓦乃至百瓦功率水平，以保证足够远的探测距离；激光波长采用910 nm波段以减小环境中的水汽吸收影响，同时还可进一步增加硅探测器响应度^[6]。然而，由于GaAs材料在910 nm波段的高吸收特性，其分布布拉格反射镜（Distributed Bragg Reflector，DBR）结构具有更低的Al组分对比，导致需要更多的P-DBR对数以达到预期反射率，这带来了高的串联电阻及光吸收效应^[7,8]；VCSEL所用的GaAs衬底具有高的光学吸收，因此必须采用顶发射式的P面出光结构，而P型材料低的电导率及环形电极结构使得在VCSEL内部氧化孔径位置易于产生载流子聚集，引起载流子利用效率低下及光场分布不均^[9,10,11]。

目前为止，国际上仅有Trilumina公司的Richard F. Carson等人报道了远距离激光雷达专用910 nm波段附近的高峰值功率VCSELs的研究成果^[12,13,14]。他们研发了采用5个VCSEL列阵串接在一起的激光模块，在驱动电流为100 A时，该串接模块的激光功率仅有80 W左右，相当于每个VCSEL阵列的激光功率仅有16 W左右^[14]。2014年我们团队曾报道了单个列阵峰值功率达到60 W的980 nm波段VCSEL^[15]。在上述研究基础上，本文中我们报道了用于远距离激光雷达的910 nm波段VCSEL研究成果。首先，我们介绍了910 nm波段VCSEL外延结构反射谱及发光区增益谱的设计结果；然后对所制备VCSEL列阵在准连续及脉冲情况下的工作性能进行了测试分析。通过测试脉冲情况下VCSEL的光谱及脉冲波形变化，证实即使在窄脉冲工作状态下，高的工作电流仍然会在VCSEL内部产生热积累效应，引起VCSEL出光功率饱和，但是热效应对紧凑封装VCSEL列阵的脉冲波形影响较小。

1 VCSEL结构设计

设计了910 nm波段VCSEL激光器的外延结构，如图1所示，由N型掺杂的下DBR（Distributed Bragg Reflector）反射镜结构，有源区及P型掺杂的上DBR反射镜结构组成，其中有源区采用压应变InGaAs量子阱及AlGaAs势垒层组成，有源区的光学厚度为一个λ波长。DBR反射镜采用Al_0.1Ga_0.9As/Al_0.9Ga_0.1As 材料对，其中P型DBR反射镜对数为22 对，N型DBR反射镜对数为35对。在整体结构设计中需保证三个量子阱的位置位于驻波波峰中心位置，以获得高的光学增益，如图1中的光场分布示意图所示。在VCSEL采用单氧化层设计的结构中，氧化层为30nm厚度的Al_0.98Ga_0.02As材料；VCSEL结构采用顶出光结构以避免GaAs衬底对910nm波段的光学吸收，因此需采用lift-off工艺形成P面出光窗口及P面环形电极。

图1 910nm VCSEL激光器横截面结构示意图，插图为有源区附近的驻波光场

Fig.1 Schematic of multi-layer structure in the VCSEL devices, inserted was the normalized optical field distribution within the active region.

VCSEL激光器谐振腔腔长非常短，因此为了获得优越的性能，VCSEL激光器发光区的材料增益必须足够大。在本研究中，我们采用近红外波段相对成熟的InGaAs/AlGaAs材料体系作为发光区的量子阱/势垒层材料结构。对于InGaAs量子阱，其材料组分及厚度的选择主要考虑VCSEL激光器所需的增益谱峰值波长位置。图2a为利用PICS3D软件模拟的增益谱峰值波长在870 nm，880 nm以及890 nm时，InGaAs量子阱的In组分及量子阱厚度对应关系。由于量子阱厚度增加带来能级量子效应减弱，相应的激光波长随之增加；而在相同量子阱厚度下，In组分越多，则量子阱能级对应的出光波长也会增加。因此，要达到相同增益峰值，量子阱厚度与In组分呈现反比关系。考虑到InGaAs与GaAs的晶格失配效应，为保证良好的发光区材料制备质量，我们选取量子阱厚度在5-6 nm，量子阱个数为3个左右。

(a)

(b)

图2 不同增益峰值InGaAs量子阱组分及厚度关系（a），及增益光谱与VCSEL反射谱（b）

Fig.2 The relationships between indium contents and thicknesses of InGaAs QWs for different gain peak wavelengths (a), and the gain- and reflectivity spectra of the VCSEL

所设计的VCSEL结构发光区增益谱与VCSEL整体反射谱见图2b所示。其中发光区采用3个厚度为5.5 nm的InGaAs量子阱。由光学传输矩阵理论计算得到的VCSEL整体反射谱中可以很明显地看出腔模位置，而腔模位置就是VCSEL的激射波长位置。VCSEL的腔模由AlGaAs材料折射率温漂决定，其温漂仅为0.06 nm/K左右，而发光区增益谱峰值波长的则由材料能带温漂系数决定，在0.3 nm/℃左右。考虑VCSEL器件腔模与量子阱增益谱的温漂相差较大，一般情况下结构设计时量子阱增益谱的波长相对VCSEL腔模蓝移量选取在10-15 nm左右，以保证室温工作时发光区增益谱峰值与腔模匹配，为VCSEL提供最高的有效增益。本项目选取增益峰值——腔模的失配量为13 nm。

2 VCSEL器件制备结果

采用Aixtron公司的200/4型号MOCVD设备对上述设计的910 nm VCSEL激光器结构进行外延生长调试。在整体结构生长前首先对DBR反射谱及发光区量子阱结构进行了单独调试，最后得到整体结构中心区域的反射谱及量子阱的光致发光光谱（Photoluminescence spectra， PL spectra），如图3所示。测试反射谱采用的光源为白光光源，图中对VCSEL整体反射谱进行了归一化处理。测试反射谱用的光谱仪型号为OceanOptics USB4000-VIS-NIR，该光谱仪在波长位于900-1000 nm波段时，光谱响应度随波长增加而逐渐降低，我们认为这是导致图3中所测试的900-950 nm反射带随波长增加而衰落的原因，但是VCSEL外延片整体的反射谱形貌及腔模位置仍然是准确的。由于驻波微腔效应，VCSEL反射谱中心出现明显的凹陷。PL光谱中心位于896 nm附近，整体谱型平滑。从图3外延测试结果可以看出，VCSEL反射谱及发光区PL光谱位置与图2b中的理论设计结果基本吻合。

图3 MOCVD外延片发光区PL光谱及整体结构反射谱

Fig.3 The measured photoluminescence spectra of QW and the reflectivity spectra of the wafer

在对VCSEL进行材料外延制备后，考虑GaAs衬底对910 nm波段的吸收作用，所制备VCSEL拟采用顶发射工艺结构。但是顶发射结构VCSEL列阵单元的氧化口及环形电极尺寸会严重影响到单元激光的出光功率及效率。为保证所开发的VCSEL列阵具有良好的脉冲输出特性，首先依据Jean-Francois Seurin等人提出的列阵优化方式^[16]对单个激光发光单元进行了氧化孔与电极孔径结构优化，以获取最高的单元斜率效率与低的阈值电流。最终确定VCSELs列阵发光单元的氧化孔尺寸为8 μm，电极窗口尺寸为12 μm。由于VCSELs阵列的各发光单元间的并联关系，我们尽可能多的集成VCSEL发光单元以降低整个列阵的电感效应；为保证各单元之间具有最为相似的工作状态，保证VCSEL列阵均匀性，最终我们制备了发光单元具有六角蜂窝状排布的VCSEL阵列结构，阵列发光单元个数为163个。

为验证VCSEL列阵的制备效果，首先我们将制备的VCSEL阵列进行TO封装。在无制冷条件下采用准连续（Quasi Continues Wave，QCW）驱动电源（重复频率100 Hz，脉宽200 μs）对VCSEL进行了测试， VCSEL阵列的激光输出特性见图4所示。图4a为QCW驱动电流下VCSEL列阵的功率-电压-效率曲线。可以看出，VCSEL列阵的阈值电流约为0.5 A，在工作电流达到5 A时的激光输出功率达到近2 W，并且没有出现功率饱和现象。采用自己搭建的远场测量系统测试了VCSEL阵列的远场发散角，见图4b所示。VCSEL阵列在两个正交方向上的发散角非常类似，FWHM（Full Width at Half Maximum）角度分别为16.2°与16.8°，说明我们获得了圆形对称的光斑形貌。VCSEL在两个正交方向上的光斑形貌均较为平滑，说明整个列阵中的各个发光点发光强度分布均匀。

图4 VCSEL单元列阵PIV曲线（a）及其在5A时的远场发散角（b）

Fig.4 The Power-current-voltage relationship of fabricated VCSEL array (a) and its beam divergence angle at the operation current of 5A (b).

将驱动电源换成重复频率10 kHz，脉宽30 ns的窄脉冲驱动电源，我们测量了上述VCSEL列阵在大电流、窄脉冲下的峰值激光功率，测试结果见图5所示。当激光工作电流小于40 A时，该功率曲线的斜率效率与QCW工作状态下类似。工作电流达到40 A时，激光器的输出功率可以达到20 W。然而随着工作电流的进一步增加，VCSEL列阵的功率曲线呈现出明显的饱和现象。单个VCSEL列阵在70 A工作电流下峰值激光功率达到最大值25.5 W。这说明即使是在极低填充因子的脉冲驱动电流下，VCSEL列阵的激光功率也不能够随着工作电流的增加而无限提升。

图 5 窄脉冲、高重频驱动时910nm VCSEL列阵激光输出功率与工作电流关系

Fig.5 Laser output power versus driving current under a repetition frequency of 10 kHz and a pulse width of 30 ns for the single VCSEL array.

为进一步分析VCSEL列阵功率饱和问题产生的原因，我们测量了不同工作电流下VCSEL列阵模块的激光光谱随驱动电流的变化情况，见图6所示。VCSEL模块的激光光谱随着工作电流的增加呈现出明显的光谱展宽现象。当驱动电流由20 A增加到60 A时，光谱宽度由0.8 nm增加到了1.38 nm。这主要因为VCSEL在大电流下产生了较为严重的热效应。对于高密度发光点组成的VCSEL阵列，其内部热交联效应将会使得整个列阵的温度呈现中心较高边缘较低的分布形式，由此引起VCSEL阵列各发光单元间的激光波长略有偏移，因此整个列阵的光谱呈现出展宽的现象。该现象在其他文献^[17]中也见有报道。

图6 激光器出光光谱随工作电流变化关系

Fig.6 Laser spectra of the VCSEL array under different driving currents in pulsed operation

由图6中可以看到，在工作电流为60 A的情况下，除了激光光谱波形的展宽，光谱的右侧还出现了明显的拖尾现象，这也是由于VCSEL列阵的热效应产生的。由于热效应导致VCSEL列阵部分区域发光单元温度升高，因此这部分列阵的激光波长趋于向长波方向偏移，这是激光光谱向右侧展宽的原因。对于产生严重热效应的发光单元，其激光功率会有所下降，因此这部分发光单元的激光光谱强度要弱于大部分发光单元的光谱强度。列阵中的发光单元热效应越严重，则其激射的波长偏向长波长方向越多，其光谱强度则相对越小，这就是图6中工作电流在60 A时激光光谱右侧部分出现了逐步衰减的激光强度，也就是拖尾效应的原因。由于VCSEL列阵的热饱和效应是由该条件下的内部热效应引起的，在后续研究中如果我们采用更为良好的散热结构和封装焊料，将会有效改善这一现象。

VCSEL列阵的光脉冲输出波形表征了其在窄脉冲驱动下的脉冲响应特性，该特性将直接影响到激光雷达的时间测量精度。为此，我们采用光电探测器及示波器系统对VCSEL列阵的光脉冲波形进行捕捉，获取了不同驱动电流下VCSEL列阵的光脉冲波形，见图7所示。列阵呈现出平滑的光脉冲波形信号，并且我们发现光波形信号结束后并未出现以前文献中所报道的严重拖尾现象^[17,18]，而是出现一个负过冲信号，且信号很快就回复至零。上述现象说明我们开发的VCSEL列阵很好的消除了窄脉冲驱动下的电迟滞效应。在图7中，当列阵的驱动电流由20 A增加至60 A的过程中，脉冲波形半宽由30 ns展宽至36 ns，展宽幅度为6 ns。VCSEL列阵在大电流下的光脉冲展宽现象主要是由于VCSEL在大电流下的内部热效应引起的：热效应引起VCSEL芯片温度升高，导致其本身电阻增加，相应的脉冲响应时间变长。虽然光脉冲在大电流下出现了微弱的展宽，但是图7中列阵在不同驱动电流下的光脉冲波形仍然具有非常好的一致性。VCSEL列阵表现出的上述脉冲稳定性对于实现激光雷达在不同环境下的稳定工作非常重要。

图7 VCSEL列阵在不同工作电流下的光脉冲波形对比

Fig.7 Comparison of the optical pulse waveforms of the VCSEL array at different working currents

我们采用焦距100 mm的常规球面准直镜对制备的VCSEL列阵模块进行了直接光束准直，以检查该模块在实际应用中的光束处理效果。在调节准直镜位置以保证良好的准直效果后，我们在距离准直镜1 m左右的位置采用CCD观察到其光斑形貌如图8所示。准直后VCSEL发出的激光光斑呈现出很好的圆形对称形貌。由图8在水平和垂直方向上光场强度分布可以看出，光场强度分布由中心区域向边缘逐渐降低，整个光场区域未出现暗斑现象，说明我们的VCSEL列阵器件各个发光点具有较为一致的发光性能。

图8 VCSEL列阵准直后的光场强度分布，插图曲线为光斑中心的光场强度分布

Fig.8 The collimated beam morphology of the VCSEL array at 1m distance, inserted curves show the intensity distribution at the center of the optical field.

3 结论

设计了910 nm波段VCSEL激光器结构，为VCSEL材料外延制备提供了依据。采用制备的外延片开发出高密度集成的VCSEL列阵器件。在准连续工作状态下，VCSEL激光功率达到2 W，且未出现功率饱和现象。在10 kHz，30 ns脉冲驱动下，单颗VCSEL列阵激光功率可以达到25.5 W。通过VCSEL工作在不同驱动电流下的光谱展宽现象可以推断出VCSEL在脉冲情况下仍然存在热效应。所研制的VCSEL列阵输出激光脉宽在功率饱和时仅展宽了6 ns，不同电流下的脉冲波形一致，证实该列阵具有良好的脉冲响应。最后，采用单个准直透镜对VCSEL的光场进行简单处理得到圆形均匀光斑形貌，证实VCSEL列阵具有很好的发光均匀性。下一步我们将对该类型VCSEL阵列在远距离探测系统中的实际应用效果进行实验验证。

References