PDF《一种基于热补偿电流的大功率 VCSEL模型》

第30卷 第 4期

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0 9年 8月 发光学报CHINESEJ O U R N A LO FL U M I N E S C E N C E V o l

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0 9 文章编号:

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0 4 一种基于热补偿电流的大功率 V C S E L模型 马强1 ,

2 ,田振华1 ,

2 ,王贞福1 ,

2 ,秦莉1 ,宁永强1 (

1 .中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 激发态重点实验室,吉林 长春

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2 .中国科学院 研究生院,北京

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4 9 ) 摘要:基于激光速率方程并加入了热补偿电流, 建立了一种用于分析大功率垂直腔面发射激光器( V C S E L s ) 输出特性( P I ) 的模型.先测得已知温度下的 P I 特性, 根据实验数据, 利用阈值电流和温度的关系和 G a o 等 人的方法得到 a 参数和其它参数.把所得参数代入模型, 可以获得所需温度下的 P I 特性.从模拟结果可以 看出, 不同温度下, 模拟结果与实验结果吻合的非常好, 而不考虑热补偿电流时差别很大, 从而证明了该激光 器模型的有效性;

同时, 从有源区温度和电流关系曲线可以看出, 有源区随着电流增加温升很快, 进一步证实 了我们研究温度影响的重要性. 关键词:速率方程;

V C S E L s ;

热模型 中图分类号:T N

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4 P A C S :

4 2 .

5 5 . P x P A C C :

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5 5 P 文献标识码:A 收稿日期:

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修订日期:

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0 7 基金项目:国家自然科学基金(

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3 4 ,

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0 7 ) 资金项目 作者简介:马强(

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8 2- ) ,男,辽宁丹东人,主要从事大功率 V C S E L s 的研究. E m a i l :j l o u l u o @t o m . c o m :通讯联系人;

E m a i l :n i n g y q @c i o m p . a c . c n ,T e l :(

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1 引言近年来, 垂直腔面发射激光器( V C S E L s ) 作为 最有发展前途和实用价值的光电子器件, 引起了 人们极大的关注, 和传统的边发射激光器相比, V C S E L s 具有阈值电流低、 光束发散角小、 单纵模 工作、 易于集成、 成本低等特点.用于通信领域的

8 5 0n mV C S E L s 的研究已经很成熟.目前, 有关 V C S E L s 的研究主要集中在用于光纤通信的长波 长范围, 随着 V C S E L芯片生长技术的不断进步, 用于军事和工业加工的大功率 V C S E L技术也正 逐步成熟. V C S E L s 的性能很大程度上取决于其芯片结 构, 研究 V C S E L s 的特性可以从其结构出发.由 于芯片的 D B R层产生大量的热而它自身的散热 性又非常差[

1 ] , 所以 V C S E L s 的热效应比较严重, 同时热效应会引起其它性能的恶化.例如, 器件 的空间温度效应引起的热聚焦现象会在直流和脉 冲注入下产生很大的差别, 甚至能改变激光的发 射模式[

2 ] .温度对器件最大的影响主要体现在 其静态 P I 特性上.首先, 和边发射激光器一样, V C S E L s 的阈值电流会随温度变化;

其次, 由于器 件的温度随着注入电流的增大而上升, 最终输出 功率开始波动并下降[

3 ] , 从而限制了器件直流下 的最大输出功率. 关于 V C S E L s 温度模型, 研究人员进行了相 应的研究, 这些模型可以较好地描述器件的温度 特性, 但他们基于数值分析, 计算量大且不适合与 其它电路一起进行仿真, 尤其是在电路系统规模 较大的情况下.目前, 国内的计算模型都是针对 小功率垂直腔面发射激光器, 本文研究的重点是 大功率垂直腔面发射激光器.我们在标准的激光 速率方程基础上考虑温度对器件的影响建立了模 型.为了方便起见, 用温度的多项式来表达补偿 电流, 并把这项引入标准速率方程, 从而得到一个 普遍模型.把已知温度下的电流和功率代入该模 型得到适用于该器件的系数, 从而得到其它温度 下的输出功率.