多横模垂直腔面发射激光器模式及其波长特性研究

发布时间：2020-09-11 13:51

【摘要】：垂直腔面发射激光器(Vertical-cavity surface-emitting laser,VCSEL)的最早设想是由日本东京工业大学伊贺健一(K.Iga)教授的研究小组在1977年提出的,至今已有40年的历史。VCSEL是一种出光方向垂直于衬底的面发射半导体激光器,有在片测试、单纵模工作、圆形光斑易于与光纤耦合、调制速率高等优点,商业化后广泛应用于光互联、数据传输、光通信和气体探测等领域。VCSEL能够实现多横模同时激射,虽然这些横模与纵模相比,能量比例很小,可是这些横模在耦合入多模光纤时,会同时激发光纤中的很多模型,造成信道中严重的模式色散,导致误码率升高,影响通信系统的质量,所以能够多横模稳定输出的VCSEL的研究意义深远。激光在谐振腔内振荡的过程中,在光束横截面上形成具有各种不同形式的稳定分布,这种稳定分布,是按辐射传播方向区分的光子态,被称为激光束的横向模式,简称横模。激光束在横截面上所呈现的各种光强不同花样的稳定分布,主要产生于谐振腔反射镜对光的衍射效应。激光器内的振荡模式,按光场空间分布或传输特性的不同而区分为不同的横模。因为多横模的震荡,会引起噪声的增加以及谱线展宽,同时,VCSEL的发散角也会迅速增大,影响了器件与光纤的耦合效率。VCSEL的横模数会随着泵浦条件和热效应的变化而变化,尤其随着注入电流的不同而产生模式的增减,从而影响其光学输出特性。但是,锁定这些横模以后,锁模的VCSEL可以作为一个几乎无抖动的定时信号源,可以应用在光学时钟和光频梳中。所以对VCSEL多横模锁定的研究是一大热点。本文的主要研究内容如下:1.采用Matlab软件模拟了标准圆对称氧化限制型VCSEL的横模分布,并计算了其光谱特性。通过模拟得到,当氧化孔径为圆形时,VCSEL激射的多横模将等间距排开,氧化孔径为8μm时VCSEL模式空间距离为0.64nm,而当氧化孔径增大到20μm时VCSEL的模式空间距离却减小为0.25nm,即模式空间距离随着孔径的增大而减小。2.采用基于光场BPM算法的软件Rsoft对椭圆氧化孔径VCSEL的横向模式进行了模拟。通过模拟得到,当模式阶数较低时,横模分布没有明显不同,而当模式阶数较高时,椭圆VCSEL的横模分布更集中在一起,模式在短轴方向的分布被限制严重,能量分布不均匀。3.结合圆形VCSEL的光谱模型和椭圆折射率分布模型,计算了椭圆氧化孔径VCSEL的光谱特性。模拟结果表明,由于椭圆折射率的各向异性分布产生的波长分裂现象直接导致相邻模式间波长变为非等间距分布,并且随着氧化孔径的减小,波长分裂程度会进一步增加,最大波长分裂值可达0.037nm。4.工艺上制备了不同孔径(4μm-16μm)的圆形氧化孔径VCSEL器件和部分椭圆形氧化孔径VCSEL器件,测试了其输出功率,电压,阈值电流,斜率效率,近场模式分布和光谱特性,分析其变化规律。实验中间接测得波长间距的差值在0.04nm左右,这与我们计算分析结果一致。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN248

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本文编号：2816758