液晶可调谐VCSEL中高对比光栅结构的设计
发布时间：2021-04-15 01:17
基于严格耦合波理论设计了一种以液晶为低折射率材料的Si-SiO2复合高对比光栅,该光栅适合用于实现液晶可调谐功能的垂直腔面发射半导体激光器件。当940nm的TM偏振光入射时,通过优化参数可得到宽带（Δλ=256nm）高反射率（R>99%）且具有偏振稳定性的光栅结构,满足垂直腔面发射半导体激光器顶部腔面反射镜要求。液晶折射率的改变不会影响光栅的性能,未来有望将高对比光栅或混合光栅与液晶可调谐垂直腔面发射半导体激光器相结合,实现可调谐半导体激光器。
【文章来源】：激光与光电子学进展. 2020,57(01)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
Si-SiO2HCG结构示意图。（a）三维结构示意图；（b）填充液晶后光栅的截面图
HCG的厚度决定了不同传播模式间的相位叠加和模式间的干涉。为了获得高的反射率，需要选择合适的厚度使空间模式与透射波互不重叠，在光栅一端形成相消干涉，使能量集中于反射波。图2(a）中高度有序的棋盘图案说明HCG高反射性质同时取决于波长和厚度，是模式间相互干涉的结果。根据严格耦合波理论，光栅层厚度对入射电磁波有很强的调制作用，周期性地影响入射界面对切向电场和磁场的反射。当硅脊的厚度为0.65～0.8μm时，表现出中心波长为940nm的宽带高反射率特性，在单个高反射带内，随着厚度增大，高反射率带红移；当硅脊的厚度为0.7μm时，调制强度最大，适用于激射波长在900～1000nm间的调谐VCSEL。图2(b）表明，SiO2层厚度的大范围变化对带宽高反射率中心波长具有较小的周期性影响，共振波长和线宽几乎没有变化，大的制作容差有利于HCG的制作，在光栅结构中起到便于制作和集成的功能。由图2(c）中不同周期对应不同高反射波段可知，HCG周期主要影响带宽的位置。将HCG看作是周期性波导阵列，其大的折射率对比度和近波长尺寸限制，使得只有两种模式在z方向上携带振幅相等、相位相反的能量，二者在出射面上发生相消干涉。高反射率区同时存在两个模式的双模区域，表现为共振曲线网格化，形成棋盘图案，其中光栅周期决定了截止频率，可以用来区分单模区、多模区和双模区，因此光栅周期主要影响高反射率带宽的位置。HCG反射率由导模的传播常数决定，并随着光栅脊宽的变化而变化，随着占空比改变，高反射率带宽受到强烈影响，如图2(d）所示。综上所述，光栅周期影响反射带宽的位置，而占空比和硅脊的厚度共同影响带宽的强度和大小，HCG的宽带高反射性是三者共同作用的结果。图3所示为局部反射率最大时各参数与反射率的关系，可以看出，硅脊厚度和占空比对高反射率特性的影响较大，可以使光栅反射率达到99%以上，在影响带宽强度过程中占主导地位。通过优化参数可以设计反射率曲线的中心波长、最大值和带宽等特性，对后续与VCSEL的结合起到了积极作用。表1所示为HCG参数的优化区间，从中选择调制强度最强、衍射效果最优的光栅参数，可以得到图4所示的HCG反射率变化曲线。根据等效介质理论，当光经过亚波长光栅时，TE和TM偏振光会有不同的等效折射率，表现为双折射效应。然而，在TE或TM偏振光入射情况下，都可以进行参数优化，得到大于99%的高反射率。
图3所示为局部反射率最大时各参数与反射率的关系，可以看出，硅脊厚度和占空比对高反射率特性的影响较大，可以使光栅反射率达到99%以上，在影响带宽强度过程中占主导地位。通过优化参数可以设计反射率曲线的中心波长、最大值和带宽等特性，对后续与VCSEL的结合起到了积极作用。表1所示为HCG参数的优化区间，从中选择调制强度最强、衍射效果最优的光栅参数，可以得到图4所示的HCG反射率变化曲线。根据等效介质理论，当光经过亚波长光栅时，TE和TM偏振光会有不同的等效折射率，表现为双折射效应。然而，在TE或TM偏振光入射情况下，都可以进行参数优化，得到大于99%的高反射率。3 分析与讨论
本文编号：3138379
【文章来源】：激光与光电子学进展. 2020,57(01)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
Si-SiO2HCG结构示意图。（a）三维结构示意图；（b）填充液晶后光栅的截面图
HCG的厚度决定了不同传播模式间的相位叠加和模式间的干涉。为了获得高的反射率，需要选择合适的厚度使空间模式与透射波互不重叠，在光栅一端形成相消干涉，使能量集中于反射波。图2(a）中高度有序的棋盘图案说明HCG高反射性质同时取决于波长和厚度，是模式间相互干涉的结果。根据严格耦合波理论，光栅层厚度对入射电磁波有很强的调制作用，周期性地影响入射界面对切向电场和磁场的反射。当硅脊的厚度为0.65～0.8μm时，表现出中心波长为940nm的宽带高反射率特性，在单个高反射带内，随着厚度增大，高反射率带红移；当硅脊的厚度为0.7μm时，调制强度最大，适用于激射波长在900～1000nm间的调谐VCSEL。图2(b）表明，SiO2层厚度的大范围变化对带宽高反射率中心波长具有较小的周期性影响，共振波长和线宽几乎没有变化，大的制作容差有利于HCG的制作，在光栅结构中起到便于制作和集成的功能。由图2(c）中不同周期对应不同高反射波段可知，HCG周期主要影响带宽的位置。将HCG看作是周期性波导阵列，其大的折射率对比度和近波长尺寸限制，使得只有两种模式在z方向上携带振幅相等、相位相反的能量，二者在出射面上发生相消干涉。高反射率区同时存在两个模式的双模区域，表现为共振曲线网格化，形成棋盘图案，其中光栅周期决定了截止频率，可以用来区分单模区、多模区和双模区，因此光栅周期主要影响高反射率带宽的位置。HCG反射率由导模的传播常数决定，并随着光栅脊宽的变化而变化，随着占空比改变，高反射率带宽受到强烈影响，如图2(d）所示。综上所述，光栅周期影响反射带宽的位置，而占空比和硅脊的厚度共同影响带宽的强度和大小，HCG的宽带高反射性是三者共同作用的结果。图3所示为局部反射率最大时各参数与反射率的关系，可以看出，硅脊厚度和占空比对高反射率特性的影响较大，可以使光栅反射率达到99%以上，在影响带宽强度过程中占主导地位。通过优化参数可以设计反射率曲线的中心波长、最大值和带宽等特性，对后续与VCSEL的结合起到了积极作用。表1所示为HCG参数的优化区间，从中选择调制强度最强、衍射效果最优的光栅参数，可以得到图4所示的HCG反射率变化曲线。根据等效介质理论，当光经过亚波长光栅时，TE和TM偏振光会有不同的等效折射率，表现为双折射效应。然而，在TE或TM偏振光入射情况下，都可以进行参数优化，得到大于99%的高反射率。
图3所示为局部反射率最大时各参数与反射率的关系，可以看出，硅脊厚度和占空比对高反射率特性的影响较大，可以使光栅反射率达到99%以上，在影响带宽强度过程中占主导地位。通过优化参数可以设计反射率曲线的中心波长、最大值和带宽等特性，对后续与VCSEL的结合起到了积极作用。表1所示为HCG参数的优化区间，从中选择调制强度最强、衍射效果最优的光栅参数，可以得到图4所示的HCG反射率变化曲线。根据等效介质理论，当光经过亚波长光栅时，TE和TM偏振光会有不同的等效折射率，表现为双折射效应。然而，在TE或TM偏振光入射情况下，都可以进行参数优化，得到大于99%的高反射率。3 分析与讨论
本文编号：3138379
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