少模垂直腔面發射激光器及優化臺面排布的面發射激光陣列的研究垂直腔面發射激光器(Vertical-CavitySurface-EmittingLaser,VCSEL)具有許多出眾的光學和電學特性,如單縱模出射,閾值電流低,發散角小,圓形光斑,穩定性高以及調制速率高等,這使得VCSEL成為3D成像,光通訊網絡等應用的核心部件。本論文主要針對850nm波段少數橫模獨立控制垂直腔面發射激光器以及臺面排布方式經優化的980nm、808nm垂直腔面發射半導體激光陣列的器件結構設計、優化算法設計、工藝制作,性能分析及等方面進行了研究。本論文主要研究內容和成果如下:1、對于光纖通信領域中的模式復用技術,我們充分利用VCSEL的橫向尺度比較大這一特點,提出一種新型的,更加經濟的少模VCSEL光源,以實現少數橫模以及偏振獨立控制輸出,有望簡化甚至免除模式復用系統中復雜的復用光路或復用器,同時可以省去VCSEL陣列光源的使用。我們采取了直接刻蝕溝道對臺面進行分割的方法,實現了橫模獨立控制這一功能,其原理是:大氧化孔徑的VCSEL可以同時支持多個模式出射。因此,可以對VCSEL臺面進行分割,形成若干個作為光波導的次臺面,并在每個次臺面上生長電極,每個電極獨立加電時,電流將只通過對應的次臺面進入到有源區。因此,在單個次臺面下的對應的區域,將有一個載流子集中分布區(激射區),激光只從該區域出射。同時,溝道中是折射率遠小于GaAs的空氣,因此可以對單個次臺面出射的光有光場限制的作用。2、使用COMSOLMultiphysics科學計算軟件,模擬了經溝道分割的VCSEL的電流傳輸及分布情況。研究了不同尺寸的氧化孔徑以及不同寬度和深度的溝道對有源區電流分布的影響。模擬結果與設想一樣,臺面分割造成的極不均勻的電流密度分布,而氧化孔徑尺寸比起溝道尺寸對電流密度分布的不均勻度的影響更明顯。同時,對單個次臺面進行模式分析,結果表明激射區的大小決定了所能激發的激光模式數量,激射區的形狀決定了出射模式的形狀,而激射區的方向決定了出射模式的偏振方向。因此,少模獨立控制VCSEL的關鍵是對激射區域形狀大小的控制。3、經過若干次工藝改進,制備出臺面分割成二、三、四、六瓣的少數橫模獨立控制VCSEL,后文中一律簡稱為少模VCSEL。通過對氧化孔的控制,實現了雙橫模,三橫模,四橫模的獨立控制出射,其中三橫模以及四橫模獨立控制出射是在一定電流范圍內。同時,由于每個模式偏振方向不同,所以這種新型少模VCSEL也可以看做是由電極控制的多偏振VCSEL。而由于封裝條件問題,六橫模VCSEL未能得到全面的測試。4、探究了VCSEL陣列中的單元臺面排布方式對器件熱特性的影響,對VCSEL陣列中單元臺面分布進行優化,設計出一種具有特殊臺面排布方式的VCSEL陣列。制備了三種臺面間距不同的980nmVCSEL陣列,其中兩種為4*4方形陣列,一種為特殊臺面排布VCSEL陣列。實驗結果驗證了臺面分布對對器件的熱穩定性有明顯的改善。器件功率得到提高,熱阻變小。隨著熱沉溫度的增加,優化設計的陣列器件的功率衰減明顯小于普通4*4方形陣列。5、根據VCSEL陣列溫度分布積分公式,定義了一個同時考慮了臺面間距以及陣列總臺面面積的熱耦合系數,對808nm圓形VCSEL陣列的臺面排布進行優化。目標仍是改善器件的溫度特性,提高性能。將圓形VCSEL陣列定義成由多環的臺面組合,給定一個最大環半徑,在此半徑內對不同環之間的距離進行遍歷,計算不同環間距組合的熱耦合系數,找到使得熱耦合系數最少的