内腔亚波长光栅可调谐垂直腔面发射激光器结构设计及研究

发布时间：2017-09-11 17:34

  本文关键词：内腔亚波长光栅可调谐垂直腔面发射激光器结构设计及研究

  更多相关文章： 可调谐垂直腔面发射激光器 亚波长光栅 调谐范围 偏振控制 阈值增益

【摘要】：随着信息化时代科学技术的高速发展,高性能垂直腔面发射激光器(Vertical cavity Surface Emitting Laser)已成为面向高速高密度集成的光互联核心器件。其具有自身独特的圆形对称光斑、小体积、低功耗和高相干度阵列集成等特点,并且与传统边发射激光器相比,无需解理封装可直接在片测试分析,大大降低了制造成本。因此,具有重要的商业和军事价值并被大量生产,被广泛地应用到光交换、光互连、光计算和生物医疗等领域中。所以,最近几年,可调谐VCSEL已逐步实现局域网单/多模光纤传送数字通信(接入网、骨干网)和密集波分复用(DWDM)系统等全光网络应用。另一方面,人们对光源性能的要求也越来越高,例如,在超快宽带光信息网络、高性能超级计算机(HPC)中,需要实现超过1×106的光信道,而传统VCSEL激光器可以获得25Gbps以上的调制速率,但是由于受到量子阱中电子响应速度的限制,进一步提高调制速率变得非常困难。在电子产品研发(激光鼠标、激光电视、激光雷达)、医学成像扫描等新领域中,为了获得更高的可靠性和产品质量,要求激光光波单模偏振输出。综合看来,传统VCSEL在上述高新技术领域面临一方面如何达到宽范围光波单偏振化,以实现更低的色散噪声和更多的信道空间;另一方面如何保持高集成化,以实现更低的成本和更小的体积;因此,宽范围可调谐VCSEL偏振控制技术的研究成为高性能半导体光源领域中的研究热点和难点。为解决这些难题,我们基于微纳光栅结构,发展可调谐VCSEL多光腔耦合理论,提出耦合光栅微腔激光器结构;以及在此基础上实现全偏振控制的可调谐VCSEL技术。在光波偏振控制过程中,利用光栅强衍射效应对正交偏振态进行调制的方法,实现宽范围全偏振光波锁定并行调谐输出。本文的主要内容如下:1.根据等效介质理论分析得到不同亚波长光栅参数下偏振光的等效折射率变化特性。在此基础上,利用严格耦合波法分析了亚波长光栅设计对不同偏振光的透射率影响,并实现TE和TM两种偏振光的等效折射率各向异性差达到1.5。研究发现,亚波长光栅周期设计对于TE和TM偏振光的等效折射率影响非常小,对于TM偏振变化折射率为0.0035而对于TE为0.0014。在入射波长为850nm的情况下,对TE和TM偏振光,亚波长光栅占空比为0.23和0.8时,TE和TM偏振光的透射率均可达到99%。此外,亚波长光栅的厚度对TE和TM偏振光的透射率具有周期性影响,在每个周期内存在着最佳光栅厚度使它们的透射率达到最优,对于TE偏振光的周期是150nm,TM偏振光的周期是300nm。2.建立波长可调谐VCSEL物理模型,研究不同光栅结构设计对偏振控制和波长调谐特性的影响。对比亚波长光栅位于内腔、顶DBR上表面,顶DBR下表面三种结构设计时的波长调谐范围和偏振稳定性。当空气隙变化300nm时,内腔亚波长光栅VCSEL波长调谐范围达到54nm,而另外两种结构设计分布为20nm和12nm。最终得到宽范围偏振稳定内腔亚波长光栅VCSEL最优结构设计。3.设计并优化内腔亚波长光栅波长可调谐VCSEL,理论分析了亚波长光栅参数对TE/TM偏振波长调谐范围的影响关系,并获得最大TE/TM偏振调谐范围的光栅参数:对于TE偏振最佳的亚波长光栅参数是:占空比0.6,厚度100nm,周期200nm,而对于TM偏振是占空比0.07,厚度150nm,周期200nm。最后研究了内腔亚波长光栅可调谐VCSEL的阈值增益,从而得出TE/TM单偏振最大波长调谐范围,在TE偏振稳定下18nm波长调谐范围,而对于TM偏振可实现21nm的波长调谐范围。
【关键词】：可调谐垂直腔面发射激光器 亚波长光栅 调谐范围 偏振控制 阈值增益
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN248
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 垂直腔面发射激光器概述11-14
• 1.1.1 垂直腔面发射激光器的发展历程11-12
• 1.1.2 垂直腔面发射激光器的基本结构12-13
• 1.1.3 垂直腔面发射激光器的特点13-14
• 1.2 波长可调谐垂直腔面发射激光器的研究现状14-17
• 1.2.1 微机械悬臂梁电热激励可调谐VCSEL14-15
• 1.2.2 液晶可调谐VCSEL15-16
• 1.2.3 微机械悬臂梁静电激励可调谐VCSEL16
• 1.2.4 微机械悬臂梁压电激励可调谐VCSEL16-17
• 1.3 波长可调谐垂直腔面发射激光器的显示应用17-18
• 1.4 实现波长可调谐垂直腔面发射激光器偏振控制的研究现状18-21
• 1.4.1 上DBR下表面亚波长光栅波长可调谐VCSEL偏振控制19
• 1.4.2 采用高对比度光栅代替上DBR波长可调谐VCSEL偏振控制19-20
• 1.4.3 内腔液晶波长可调谐VCSEL偏振控制20-21
• 1.5 偏振稳定波长可调谐垂直腔面发射激光器的应用21
• 1.6 本论文的研究工作21-23
• 第二章 VCSEL基本理论与器件结构23-39
• 2.1 垂直腔面发射激光器工作原理及基本结构23-28
• 2.1.1 垂直腔面发射激光器工作原理23-24
• 2.1.2 DBR反射镜基本结构和工作原理24-25
• 2.1.3 垂直腔面发射激光器波长调谐原理和基本结构25-28
• 2.2 单偏振大范围波长调谐VCSEL实现原理28-37
• 2.2.1 亚波长光栅等效介质理论28-31
• 2.2.2 亚波长严格耦合波分析法31-37
• 2.3 本章小结37-39
• 第三章 内腔亚波长光栅可调谐VCSEL波长调谐39-49
• 3.1 亚波长光栅可调谐VCSEL波长调谐范围的影响39-43
• 3.1.1 增透膜增透原理39-41
• 3.1.2 内腔亚波长光栅对可调谐VCSEL调谐范围的影响41-43
• 3.2 不同亚波长光栅位置对可调谐VCSEL的影响43-47
• 3.2.1 对反射率的影响43-44
• 3.2.2 对驻波场的影响44-45
• 3.2.3 对激射波长的影响45-46
• 3.2.4 对波长调谐范围的影响46-47
• 3.3 本章小结47-49
• 第四章 内腔亚波长光栅可调谐VCSEL偏振控制及优化49-59
• 4.1 内腔亚波长光栅波长可调谐VCSEL的偏振控制49-53
• 4.2 亚波长光栅参数对ISWG-VCSEL波长调谐范围的影响53-57
• 4.3 内腔亚波长光栅可调谐VCSEL的优化57-58
• 4.4 本章小结58-59
• 结论59-61
• 参考文献61-65
• 攻读硕士期间发表的论文65-67
• 致谢67

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本文编号：832126