垂直腔面发射激光器的偏振控制及两模面发射激光器的研究

论文摘要

目前研究表明,有很多物理机制会影响垂直腔面发射半导体激光器（VCSELs）的输出光的偏振特性。在气体和固体激光器中,发射的电磁辐射的偏振也并不总是确定的,但可以很容易的通过加入布鲁斯特窗口来选择。在边发射激光器（EEL）中,主偏振方向是由有源腔和量子阱的各向异性增益来决定。然而,在VCSEL中,由于有源腔的圆形对称结构,及量子阱的各向同性增益,使VCSEL输出光的偏振方向很难稳定于某一固定的方向。且每个独立的横模的线性偏振方向也是不确定的,致使同一个激光器在操作过程中,偏振方向也会发生跳变。因为垂直腔面发射激光器有着比边发射激光器更优越的特性,比如非常低的阈值电流,圆形输出光斑,较小的发散角,易于二维面阵集成等,因此垂直腔面发射激光器越来越多的被应用到光互连、光信号并行处理、泵浦固体激光器、激光显示等领域。但当应用到光数据通讯、光谱检测、光学鼠标等方向时,激光器的稳定偏振成为了亟待解决的问题。目前主要的一些解决方法有:在高晶相（311）B上生长芯片结构、外腔反馈结构、半导体光栅、表面浮雕结构等。这些方法中目前偏振稳定性能最好的是在VCSEL表面集成半导体光栅结构,然而这种半导体光栅结构主要是用电子束曝光等昂贵费时的制作方法,因此很难实现量产。本论文提出了一种可以经济的、省时的、可靠的二次曝光技术制备VCSEL表面的光栅来实现对VCSEL偏振控制,这种技术结合了泰尔伯特位移曝光技术的纳米级曝光精度来制备光栅条和普通I线光刻技术来获得VCSEL出光窗口处微米级圆形光栅图案。这种二次曝光制备光栅VCSEL方案能有效降低光栅VCSEL制备成本,缩短器件制备时间,而且精度能达到电子束制备光栅的纳米量级。随着信息社会对数据通信容量需求的提高,光纤通信复用技术随之快速发展起来。已有的复用技术主要是利用光的本证特性,例如光的波长,光的偏振态,光的时域性等,来实现光学信息的复用。应用最广泛的复用技术有波分复用技术、偏振复用技术、码分复用技术、时分复用技术以及最近才发展起来的模式复用技术技术等。目前,VCSEL主要以列阵光源形式应用,通过在输出端将各个激光器的光输入到一捆单模光纤或者多核心光纤进行传输。然而这种将多个光纤困在一起,或者多核心光纤不可避免的增大传输路径的体积。为了VCSEL可以更高效的应用到通信领域的少模光纤等应用中,以扩大单信道输出的独立模式容量,减小发射端的体积,提出了一种新型的电介质膜浮雕结构来制备两模VCSEL,以期解决目前不成熟少模VCSEL技术问题,为模式复用技术提供一种可以直接使用的少模光源,提高少模光纤光纤通信的传输容量。本论文主要展开了以下几个方面的研究:首先,简单介绍VCSEL的基础及其偏振现象。调研了国内外控制VCSEL偏振的实施方案,针对实验室的研究条件,确定了利用刻蚀半导体光栅的方案来实现VCSEL的偏振控制。其次,对VCSEL的基本特性进行了理论分析。同时分析了集成表面光栅的VCSEL的偏振行为和模式分布,分别计算了VCSEL基模沿光栅条方向和垂直光栅条方向的阈值增益,并分析了针对器件输出波长对应的光栅刻蚀深度,光栅周期对表面光栅VCSEL的整体性能的影响。然后,对表面光栅VCSEL制备的工艺技术进行深入研究,创新的利用泰尔伯特位移光刻技术及二次曝光方法制备VCSEL的表面光栅,这种方案经济适用且适合大批量生产。针对表面光栅VCSEL的光栅精度等问题,在原普通VCSEL制备工艺基础上,合理的改善了一些制作工艺步骤,并成功的制备出单模、多模以及不同周期的表面光栅VCSEL。制备的单模单偏振光栅VCSEL在整个电流测试范围内,无论是在室温20℃还是在高温80℃的状态下,主偏振方向都稳定地沿着[0-11]晶轴方向。正交偏振比OPSR值达到30 dB。在室温20℃下阈值电流为0.3 mA,在高温80℃下阈值电流为0.5 mA,证明在高温下器件仍能保证阈值电流低于1mA的高性能。在室温20℃及高温80℃时,1.5 mA下,器件的总功率分别为0.55 mW和0.4 mW。这种表面光栅VCSEL有望在原子钟等要求单模单偏振的应用中使用。制备出的多模光栅VCSEL也都能稳定偏振,且正交偏振比超过17dB。最后,为了VCSEL可以更高效的应用到通信领域的少模光纤等应用中,以扩大单信道输出的独立模式容量,减小发射端的体积,我们提出了一种利用电介质浮雕过滤高阶模式的两模VCSEL。这种新型电介质浮雕结构对模式实现控制功能使VCSEL稳定输出两个模式。通过理论模拟设计了合理的浮雕尺寸,计算了浮雕不同刻蚀深度下,VCSEL的镜面损耗,以及对不同模式的增益的影响。成功制备并测试了两模VCSEL的输出性能。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 垂直腔面发射激光器（VCSEL）的概述
•     1.1.1 VCSEL的简介
•     1.1.2 VCSEL的发展
•     1.1.3 VCSEL的应用
•   1.2 VCSEL偏振控制的研究背景及意义
•   1.3 两模VCSEL的研究背景及意义
•   1.4 本论文的研究工作
• 第2章 表面光栅VCSEL的基本原理
•   2.1 VCSEL结构及工作原理
•     2.1.1 阈值增益
•     2.1.2 DBR反射镜
•     2.1.3 模式特性
•     2.1.4 偏振特性
•   2.2 表面光栅VCSEL的偏振模拟
•   2.3 本章小节
• 第3章 表面光栅VCSEL的制备工艺研究
•   3.1 光栅制备技术的简介
•     3.1.1 电子束曝光技术
•     3.1.2 纳米压印技术
•     3.1.3 全息光刻技术
•     3.1.4 泰尔伯特位移光刻
•   3.2 本论文中VCSEL表面光栅的制作方案
•   3.3 稳定偏振的表面光栅VCSEL激光器的制备
•     3.3.1 VCSEL激光器的表面光栅的制备
•     3.3.2 表面光栅VCSEL激光器的制备
•   3.4 本章小结
• 第4章 表面光栅VCSEL的测试与分析
•   4.1 无表面光栅的VCSEL的P-I-V特性
•   4.2 稳定偏振的表面光栅VCSEL器件的特性分析
•     4.2.1 单模稳定偏振表面光栅VCSEL器件的测试
•     4.2.2 多模稳定偏振表面光栅VCSEL器件的测试
•   4.3 不同光栅周期的表面光栅VCSEL器件的特性测试
•   4.4 本章小结
• 第5章 两模VCSEL的研究
•   5.1 模式控制方法介绍
•   5.2 两模VCSEL设计与模拟
•   5.3 两模VCSEL的性能测试
•   5.4 本章小节
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘莹莹

导师: 宁永强

关键词: 偏振控制,光栅,各向异性增益,正交偏振比

来源: 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)

分类号: TN248

总页数: 139

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