仿真技术助力制备高效VCSEL芯片器件

仿真技术助力制备高质量VCSEL芯片

垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)具有体积小、阈值电流低、可单纵模输出、功耗低和集成度高等优点,其发展引起了各个领域的瞩目,顺应了眼下信息社会的发展趋势。当下,无论是在光通信领域还是消费电子领域,VCSEL器件应用的身影随处可见,并且正不遗余力地改善着人们的生活方式与生活质量。

850 nm VCSEL凭借相对成熟稳定的技术特点,被普遍地视为一种适用于短距离光通信领域的理想光源,其高频特性极大程度上促进了光通信技术的发展;随着带有3D人脸识别功能的手机发布以来,3D感测技术逐渐地走进人们的视野,而承载该技术的核心组件便是940 nm VCSEL,随后该VCSEL在AR、VR领域以及人工智能领域均展现出极其优越的性能。自此,VCSEL技术的发展迎来爆发期,而高发光效率、高工作频率和高光束质量的VCSEL芯片的发展也引起了人们广泛的关注与重视。

然而,VCSEL的发光功率、激射波长、调频带宽等指标对器件架构,如材料的掺杂浓度、厚度和组分等极其敏感,这无疑增加了实验摸索的成本和周期,而仿真技术可以高效地评判VCSEL芯片架构设计的合理性,并助力制备出更高效的VCSEL芯片,如下图所示:

l 图(a)展示了激射发光光谱图,仿真技术有助于优化有源区和谐振腔设计,输出相关目标波长;同时,帮助优化器件架构,抑制高阶模对激射发光光谱的影响;

l 图(b)展示了驻波和折射率分布图,仿真技术可帮助分析驻波分布的合理性,以此实现对有源区和吸收层参数(位置、厚度和组分)的优化设计,减小吸收层的光吸收系数,并提高有源区模式增益,从而降低器件的阈值电流和提高激光功率;

l 图(c)展示了远场分布图,仿真技术可预演VCSEL器件的远场分布,帮助分析VCSEL器件发光模式,针对性地对各外延层的位置、厚度和孔径进行优化设计,从而减小VCSEL器件的发散角,改善光束质量;

l 图(d)展示了频率特性图,仿真技术有助于明细VCSEL器件工作机理,并理清影响工作频率的敏感参数,完善VCSEL器件的架构设计,以此提高VCSEL器件的工作截止频率。

随着市场对VCSEL的需要日益多样化,VCSEL激光器市场的空前发展,未来应用领域势必会受到更多的重视,因此为满足市场需求国内外各大企业均对其进行了深入研究,而仿真技术有助于各大企业抢占市场先机。

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