PDF《一种基于热补偿电流的大功率 VCSEL模型》

2 模型的建立 激光器工作在阈值电流以上时, 输出功率与 电流的关系( P I ) 可用下式表示 P o =η ( T ) [ I -I t h ( N , T ) ] (

1 ) P o是器件输出功率, η ( T ) 是与温度有关的微分 斜率效率, I 是注入电流, I t h ( N , T ) 是用载流子数 目和有源区温度表示的阈值电流.假设和温度有

4 6

4 发光学报第30卷 关的微分斜率效率非常小, 并且忽略空间烧孔效 应[

4 ] , 式(

1 ) 变成 P o =η [ I -I t h ( T ) ] (

2 ) 而Ith= I t h 0+ I o f f ( T ) .其中 I t h

0 是常温下的阈值电 流, I o f f ( T ) 是用温度表示的补偿电流, 为了方便起 见, 习惯上把 I o f f ( T ) 用下式表示 I o f f ( T )=a

0 +a

1 T+a

2 T

2 +a

3 T

3 +a

4 T

4 +… (

3 ) 有源区温度与电流和电压的关系可以用下式 表达[

5 ,

6 ] T=T

0 +( I V-P

0 ) R t h -τ t h d T d t (

4 ) T 0是环境温度, R t h 是热阻, τ t h 是器件随温度的响 应时间. 将式(

1 )~ (

4 ) 代入标准速率方程 I=I

1 +b I

2 1 +τ n s d I

1 d t +C s d V j d t +G S n (

5 ) G S n +β ( a I

1 +b I

2 1 )= S n R P +C P d S n d t (

6 ) 得到考虑温度效应的速率方程 d N d t = η i [ I -I o f f ( T ) ] q - N τ n - G

0 ( N-N

0 ) S 1+ε S (

7 ) d S d t =- S τ p + β N τ n + G

0 ( N-N

0 ) S 1+ε S (

8 ) 其中 S 是光子数, N是载流子数, N

0 是透明载流 子数, η i是注入效率, τ n是载流子复合寿命, G 0是 增益系数, τ p 是光子寿命, β是自发发射耦合效率. 为了验证模型的准确性, 并进一步研究激光 器的输出特性, 我们把电压写成电流和温度的表 达式 V=f ( I , T ) (

9 ) 为了便于计算, 引入一个受温度影响的热电压 V T , 并用下式表示 V=I R S +V T l n1+ I I ( ) S (

1 0 ) 其中 R S 是串联电阻, I S 是激光器的漏电流.同样, 为了计算方便, 我们把表达式(

1 0 ) 写成下面 形式[

3 ] V=( b

0 +b

1 T+b

2 T

2 +…) ( c

0 +c

1 I +c

2 I

2 +…) (

1 1 ) b 0~ b n和c0~ c n是常数.由于通常只考虑与温度 有关的特性, 因此第一个多项式变成常数 V=d

0 +d

1 I +d

2 I

2 +… (

1 2 ) 由公式(

4 ) 可以得到有源区温度随电流变化的关 系, 把式(

3 )~ (

1 2 ) 带入式(

2 ) 中, 可以得到器件 的输出功率.

3 芯片的结构 我们使用的器件输出光波长为

9 8 0n m , 出光 窗口直径

6 0 0μ m , 其结构如图 1所示.外延片由 M O C V D生长, p面DBR是由

3 0对Al0.9Ga0.1As/GaAs组成, 提供

9 9 .

9 %的反射率.为了减少串 联电阻, 采用碳做 p型掺杂剂以减少电压降而不 带来吸收损耗.3 0n m厚的 A l A s 层作为氧化限 制层.n面DBR采用 S i 掺杂,

2 0个周期提供

9 9 .

3 %的反射率.有源区由三个8n m 厚的In0.2Ga0.8As量子阱组成. ! !"# !"#$% $%&' +,- +,-$% ./&0 ./ + !01 12)3

234 567 图1底发射 V C S E L结构图 F i g .

1 S t r u c t u r eo f b o t t o m e m i t t i n gV C S E L

4 实验与仿真 我们先用综合参数测试仪测量

2 5 ,

5 0 ,

6 0 ,

8 0 ℃下的 P I 曲线.由图 2可见, 注入电流较小时, 输出的光功率随注入电流的增加几乎是线性增长 的, 注入电流增大时, V C S E L s 内部的温度升高. 由分析可知, 漏电流也在增大, 从而出现阈值电流 随温度升高而增大, 而输出光功率滚降的现象. 环境温度为

2 5℃, 注入电流为 6A时功率开始出 现饱和的趋势, 当温度达到