波長可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器

王超素　鄭逸　江孝偉

【摘 要】實現(xiàn)VCSEL波長可調(diào)諧是現(xiàn)今VCSEL研究領(lǐng)域的熱點之一，本文提出利用內(nèi)腔亞波長光柵提高了VCSEL的波長調(diào)諧范圍。經(jīng)過模擬計算當光柵周期當柵周期為Λ=200nm，占空比（光柵條寬/光柵周期）η=0.55，厚度h=100nm時，VCSEL波長調(diào)諧范圍可以達到最優(yōu)，相比于無內(nèi)腔亞波長光柵VCSEL的波長調(diào)諧范圍有了顯著提高。這可以為以后實際的器件制備提供理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】VCSEL;波長調(diào)諧范圍;亞波長光柵

中圖分類號： TN248文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）26-0030-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.26.014

0 引言

垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）自日本學者伊賀健一首次提出后，由于其具有閾值小，易于與光纖耦合，體積小，高相干度陣列集成等特點[1-3]，所以被廣泛的關(guān)注，目前VCSEL已應(yīng)用在雷達、數(shù)據(jù)傳輸、激光打印、光通信等當中[4-5]。隨著現(xiàn)在系統(tǒng)的集成度越來越高，對VCSEL的要求也隨之增加，其中對VCSEL實現(xiàn)波長可調(diào)諧的要求是現(xiàn)今最為迫切的需求之一。本文提出了利用內(nèi)腔亞波長光柵實現(xiàn)VCSEL的波長調(diào)諧，通過計算可知本文提出的內(nèi)腔亞波長光柵VCSEL可以實現(xiàn)將近60nm的波長調(diào)諧。

1 VCSEL結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1是中心波長為850nm的內(nèi)腔亞波長光柵VCSEL二維結(jié)構(gòu)圖。該圖由下而上分別是GaAs襯底、34對n-DBR、有源區(qū)（Al0.3Ga0.7As/GaAs）、氧化限制層、2.5對p-DBR（用于電流擴展）、亞波長光柵、空氣隙、16.5對P-DBR。通過改變空氣隙的厚度可以實現(xiàn)VCSEL波長的調(diào)諧，亞波長光柵的作用是提高VCSEL的波長調(diào)諧范圍，因為無內(nèi)腔亞波長光柵的VCSEL其波長調(diào)諧范圍比較有限[6]。

2 光柵參數(shù)對波長調(diào)諧范圍的影響

圖2表達的是內(nèi)腔亞波長光柵厚度對VCSEL波長調(diào)諧范圍的影響，此時光柵周期為Λ=200nm，占空比（光柵條寬/光柵周期）η=0.55，入射光是TE偏振。從圖中可以看到隨著光柵厚度從100nm增加到150nm的過程中，VCSEL的波長調(diào)諧范圍逐漸變小，在光柵厚度為100nm時，VCSEL波長調(diào)諧范圍可達60nm，但是當光柵厚度增加到150nm時，波長調(diào)諧范圍不到40nm。因此在制備器件時光柵厚度一定要選擇為100nm。

在光柵厚度h=100nm、光柵周期Λ=200nm、入射光為TE偏振時，可以發(fā)現(xiàn)隨著光柵占空比的變化，VCSEL波長調(diào)諧范圍變化相差不大，如圖3所示。從圖中可以看見在占空比為0.55nm時，VCSEL波長調(diào)諧范圍最大，調(diào)諧范圍為60nm，但是當占空比為0.37時，VCSEL波長調(diào)諧范圍可以達到57nm，這就可以為將來制備器件時提供一定的誤差范圍，因為占空比即使偏離了0.55，VCSEL仍然可以保持高的調(diào)諧范圍。

3 結(jié)論

本文通過利用內(nèi)腔亞波長光柵實現(xiàn)了VCSEL寬波長調(diào)諧范圍，通過對光柵參數(shù)的分析，得到了最優(yōu)的光柵參數(shù)，從模擬結(jié)果可知，當柵周期為Λ=200nm，占空比（光柵條寬/光柵周期）η=0.55，，厚度h=100nm時，VCSEL的波長調(diào)諧范圍可達60nm。通過本文的研究可以為將來制備寬波長調(diào)諧范圍的VCSEL提高理論支持。

【參考文獻】

[1]伊賀健一，小山二三夫.面發(fā)射激光器基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].鄭軍，譯.北京：科學出版社，2002，37-38.

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[3]王紅英，成楨，趙小俠，等.表面涂覆膽固醇液晶-垂直腔面發(fā)射激光器的偏振特性[J].激光與光電子學進展，2014，51（11）：111402.

[4]李知峰，王紅杰，王文睿，等.利用垂直腔表面發(fā)射激光器注入鎖定實現(xiàn)上變頻[J].光學學報，2014，34（2）：0206001.

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[6]江孝偉.亞波長光柵對微機電系統(tǒng)波長可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器的影響[J].激光與光電子學進展，2016，53（12）：120501.