新成果:GaN基VCSEL动态物理模型开发

作为高速数据传输与光电信号处理的核心器件,垂直腔面发射激光器(VCSEL)在高速光通信、激光雷达等领域应用广泛,其动态特性直接关联器件调制速率及稳定性等关键参数。近期,天津赛米卡尔科技有限公司技术团队开发了GaN VCSEL 的动态物理模型,揭示了器件内部载流子输运行为对激光器动态特性的影响规律。

GaN材料固有的极化特性导致GaN基VCSEL有源区中产生了量子限制斯塔克效应(QCSE),这一效应不仅会降低器件的受激复合效率,还会引发严重的电子泄漏等问题。为此,技术团队探索了电子注入效率对-3 dB带宽的影响,并提出了解决方案[1]。图1表明,相比于传统的VCSEL器件(Device R),随着引入组分渐变式量子垒(Device A)结构和组分渐变式量子垒/p型电子阻挡层结构(Device E),有源区内部受激复合时间(τsti)逐渐减小,电子逃逸时间(τesc)逐渐增加,器件的-3dB带宽逐渐提高。

图1 (a) 器件内部τsti,τaug,τesc;(b) 小信号调制响应对比图[1]

此外,技术团队还提出了改善GaN基VCSEL动态特性的技术方案,探索了脉冲模式下VCSEL表面缺陷及载流子注入效率对啁啾效应的影响[2]。图2展示了传统器件(VCSEL A)和对比器件(VCSEL B)的输出功率、空穴浓度分别与驱动时间的变化关系。研究结果表明,VCSEL B拥有更高的空穴注入效率,因此其功率可以在更短的时间内达到功率峰值和稳定输出。

图2 VCSEL A 和 VCSEL B的功率和空穴浓度随脉冲信号的变化关系;T1 表示激光功率峰值出现的时刻,T2表示激光脉冲首个峰值与稳态之间的时间间隔[2]

研究成果[1]已被物理-光学领域权威期刊Optics Letters收录,DOI: 10.1364/OL.562956。

研究成果[2]已被物理-光学领域权威期刊IEEE Journal of Quantum Electronics收录,DOI: 10.1109/JQE.2025.3574120。

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