高功率1550nm多结VCSEL的设计与仿真

在激光雷达应用场景下，高功率垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser, VCSEL)越来越受到关注。而在长波波段，1 550 nm器件一直存在输出功率不够理想，功率转化效率低等问题。目前，多结VCSEL是获得高功率、高功率转换效率(power con-version efficiency,PCE)、高光功率密度、高斜率效率(slope efficiency, SE)的关键技术。本文将1 550 nm VCSEL与多结技术结合，旨在设计出高功率的1 550 nm器件，最终成功设计并仿真了不同直径(15μm、20μm、30μm、50μm、100μm)多结(1—4结) 1 550 nm的VCSEL器件。通过对比不同参数器件的输出功率，发现器件的输出功率随结数和直径的增加而增大，最大功率能达到2 217 mW(4结100μm VCSEL)。并且仿真结果表明30μm VCSEL的输出特性相对较好：单结结构的SE优于50μm和100μm器件，为0.39 W/A;在多结结构中，30μm优于15μm和20μm的器件，分别为0.89 W/A (2结)、1.55 W/A (3结)、1.79 W/A (4结)。最后研究分析了30μm VCSEL PCE和远场分布，发现SE随结数增加而显著增加，最高为3结的40.4%,驱动电流只有1 A,这是单结PCE的6.2倍；3结的输出功率也高达1549 mW,而光束发散角单多结器件之间几乎没有差别，约为5°。以上结果为1 550 nm VCSEL作为激光雷达系统和3D传感的光源应用提供了很好的器件研究基础。