垂直腔面发射激光器同相耦合阵列及电控光束偏转的研究

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1、中文图书分类号：TN248.4密级：公开UDC：621.38学校代码：10005博士学位论文DOCTORALDISSERTATION论文题目：垂直腔面发射激光器同相耦合阵列及电控光束偏转的研究论文作者：荀孟学科：电子科学与技术指导教师：徐晨教授论文提交日期:2017年6月UDC：621.38学校代码：10005中文图书分类号：TN248.4学号：B201302006密级：公开北京工业大学工学博士学位论文题目：垂直腔面发射激光器同相耦合阵列及电控光束偏转的研究英文题目：StudyofIn-PhaseCoupledVerticalCavitySurfaceEmitting

2、LaserArrayandElectricalBeamSteering论文作者：荀孟学科专业：电子科学与技术研究方向：半导体光电器件申请学位：工学博士指导教师：徐晨教授所在单位：信息学部答辩日期：2017年5月授予学位单位：北京工业大学DissertationSubmittedtoBeijingUniversityofTechnologyforDoctorDegreeofEngineeringSTUDYOFIN-PHASECOUPLEDVERTICALCAVITYSURFACEEMITTINGLASERARRAYANDELECTRICALBEAMSTEERINGXUN

3、MENGSupervisedbyProfessorXuChenMajorinElectronicsScienceandTechnologyBeijingUniversityofTechnologyMay,2017独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：荀孟日期：2017年6月15日关于

4、论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：荀孟日期：2017年6月15日导师签名：徐晨日期：2017年6月15日摘要摘要垂直腔面发射激光器（Verticalcavitysurfaceemittinglaser,VCSELs）是一种理想的面发射光源，具有光束质量好、单纵模、低阈值、易于实现片上测试等特点，已在数据传输、传感、光互连、激光打印、光信号处理等领域得到了日益广泛

5、的应用。由于其易实现二维阵列，可获得高功率输出，但是这类激光阵列各个发光单元发出的光是互不相干的，各个光源之间没有确定的相位关系，不能提高光束质量。特别是在同相模式下，能量主要集中在轴向的近衍射极限的窄光束，并且光束发散角的大小与单元的数量呈现反比的关系，阵列规模越大，光束质量越好。因此，相干耦合阵列可以广泛应用于如激光雷达、光通信、泵浦等高功率领域和如图像处理、光谱传感等低功率领域。在相干VCSEL阵列的基础上，通过电流注入控制，达到对VCSEL阵列各单元相位的分别控制，可实现VCSEL阵列光束在一定角度范围内的扫描。这种电控制的方法，相对于机械方法更加灵敏、可靠性

6、高，在激光雷达，可操控光源等领域有着诱人的应用前景。本论文在国家自然科学基金的资助下，系统研究了二维相干耦合阵列及光束操控技术。包括阵列单元的耦合机制，同相耦合模式的设计，质子注入技术的耦合阵列的制备技术及测试技术等。研制出高光束质量同相VCSEL耦合阵列，实现了阵列近衍射极限单模同相输出和高效二维光束操控。具体工作如下：1.质子注入阵列耦合机制的研究和同相耦合阵列的设计国际上目前只研究了1×2阵列的模式特性。我们通过分析阵列的热效应和载流子注入对材料折射率的影响，根据质子注入限制阵列的弱反波导原理建立了阵列的二维模型，从模拟与实验两方面研究了二维阵列结构与模式的关系

7、，确定出阵列的同相模式和反相模式的结构。通过有限差分方法，对同相耦合阵列的远场特性进行了模拟分析，研究了发散角、中心光斑耦合度、远场光斑间隔与阵列结构和激射波长的关系，在互制约的因素中取得单元和阵列结构的优化设计。2.阵列的制备技术研究了质子注入限制阵列制备技术。通过理论和实验分析，综合考虑器件的阈值电流和输出功率等参数，确定出了合适的注入能量与剂量。采用金属Ni刻蚀二氧化硅方法制作质子注入掩膜，保证了掩膜图形的垂直性和均匀性。采用质子注入电隔离光耦合技术制备VCSEL耦合阵列，对光刻、刻蚀、溅射等工艺进行优化，形成一套完整的阵列制备方案。I北京工业