基于导模共振耦合腔超窄线宽VCSEL的设计与模拟

发布时间：2020-10-11 16:05

　　 垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有阈值电流低、单纵模激射、模式稳定性好、易与光纤耦合等众多优点,这也使得VCSEL被广泛地应用到光通信、光互连、光计算和医疗等领域中。因此,具有调制速率高、输出功率大、耗散低、温度特性好的高性能VCSEL正被广泛研究和报道。特别是随着原子钟、原子陀螺仪及光泵磁力仪等高新技术领域的不断发展,超窄线宽、单偏振的高光束质量VCSEL越来越成为人们的研究热点。本论文基于亚波长光栅的导模共振耦合腔,将其与垂直腔面发射激光器相集成,利用导模共振耦合腔具有高反射率和窄线宽的特性,提出了一种基于导模共振耦合腔的窄线宽VCSEL结构设计。本文主要研究工作内容归纳如下:1.首先,根据垂直腔面发射激光器的物理机制,研究了VCSEL的基本结构和工作原理。根据线宽公式,分析了影响激光器线宽的因素,包括激光器的无源腔线宽,线宽增强因子,自发发射因子以及激光增益。基于导模共振的基本原理,研究了亚波长光栅衍射光子发生共振的条件,并且分析了反射相位与反射谱线宽之间存在的关系,以及每层结构的相位变化的影响。最后得到VCSEL谐振腔中光波相位与导模共振耦合腔中的光波相位变化关系。2.通过基于有限元分析法的COMSOL Multiphysics软件模拟导模共振耦合腔。建立了导模共振耦合腔物理模型,分析其反射特性,并对导模共振耦合腔的各个结构参数(光栅周期、光栅厚度、间隔层厚度等)进行扫描仿真,研究器件结构参数对反射相位和反射光谱线宽的影响。最终通过确定各个结构参数得到优化之后的器件,得到超窄线宽2pm的导模共振耦合腔器件。之后,对比不同材料结构对反射特性的影响,模拟分析了各个结构参数尺寸的误差对性能的影响。结果表明光栅周期和波导层厚度对中心波长影响较大,其他结构参数在工艺误差范围内,对中心波长和反射线宽影响较小。3.开展基于导模共振耦合腔超窄线宽VCSEL研究与设计。通过调整结构参数比如光栅周期,限制层厚度,使得腔内光波相位位置变化,导模共振耦合腔与VCSEL谐振腔相互耦合,得到795nm窄线宽VCSEL。将其与传统VCSEL谐振腔反射谱的半高全宽(FWHM)相比小了2个数量级。根据线宽公式可知,VCSEL腔反射谱的半高全宽对VCSEL激射线宽影响较大,通过改变导模共振耦合腔的结构参数,增强对波长的精确选择,得到更窄线宽的VCSEL反射谱。集成导模共振耦合腔的VCSEL线宽达到了kHz量级,与传统激光器相比,减小了3个数量级以上。计算结果表明,功率为10mW时,反射谱线宽Δv_c为7pm,VCSEL线宽达到了21.67kHz。
【学位单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN248
【部分图文】：

图 1-1 面发射激光器的结构示意图Fig1-1 Schematic diagram of the surface emitting laser[2]纪后，在VCSEL迅速发展的过程中，具有新结构，新000 年，1300nm 波段的 GaInNAs/GaAs 量子阱 VCS]。2003 年，Matsui Y 等人制备了具有可调谐能力的高 65nm[17]；2008 年，GaN 材料的蓝光 VCSEL 研制长为 850nm 的阵列 VCSEL 输出功率达到了 4W 的报.315um，1.46um，3.8um 等波段的激光器被报道[20-23]积累，工艺技术的完善，更多种类的 VCSEL 实现商国的 Nova Crystals 公司、E20 公司、Colifornia 大学业大学以及德国 Infineon 公司和 Ulm 大学等为代表。国内从事 VCSEL 研究较晚，目前有中国科学院半学院长春光学精密机械与物理研究所、长春理工大学CSEL 进一步研究，研究方向不同，各有所长。

随着大数据时代的来临，光网络信息处理不断增加、高密度宽带通信不断提高，高性能垂直腔面发射激光器已成为不可或缺的核心组成部分，被广泛地应用到光通信、光互连、光计算和医疗等领域中[26-28]。特别是随着原子钟、原子陀螺仪及光泵磁力仪等高新技术领域的不断发展[29-31]，超窄线宽、单偏振的高光束质量 VCSEL 越来越成为人们的研究热点。在理论方面，Schawlow 和 Townes 给出激光线宽的公式[32]，1982 年，Henry进一步完善了激光器线宽公式，提出线宽增强因子α，与源区折射率的变化有关[33]。研究表明激光器光谱线宽主要与激光器的输出功率、线宽增强因子α和谐振腔长等相关。在增益未饱和时，输出功率增大使得自发发射趋于稳定，光谱线宽减小；线宽增强因子α与源区折射率实部与虚部随注入载流子浓度变化的比值有关，可通过减小α实现压窄线宽；增加谐振腔腔长提高了谐振腔的品质因子，频率越稳定，光谱线宽越窄。之后，Moller 等人首次通过测量激光器功率与线宽增强因子的乘积确定了 VCSEL 的线宽增强因子，在高频电流调制下获得 VCSEL的线宽增强因子α为 3.7，在 370uW 的输出功率下线宽达到 70MHz，两者乘积为5.4MHz mW[34]。(a)

第 1 章 绪 论铯为 5MHz，使 VCSEL 线宽可以与其相兼容。并且讨论了 VCSEL 谐振腔的 因子和有源区材料的线宽增强因子与 VCSEL 激射线宽的关系。文中通过增加850nm 单片 VCSEL 的过渡层，如图 1-2 所示，从而实现有效腔长的增加，线宽从 50MHz 减小到到 23MHz[35]。
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本文编号：2836815