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基于导模共振耦合腔超窄线宽VCSEL的设计与模拟

2020-12-08阅读(175)

基于导模共振耦合腔超窄线宽VCSEL的设计与模拟

论文摘要

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。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  •   1.1 垂直腔面发射激光器简介
  •     1.1.1 垂直腔面发射激光器的发展历史
  •     1.1.2 垂直腔面发射激光器的结构及特点
  •   1.2 窄线宽垂直腔面发射激光器的研究进展
  •   1.3 本论文的研究内容
  • 第2章 基于导模共振耦合腔的窄线宽VCSEL理论分析
  •   2.1 垂直腔面发射激光器的基本工作原理
  •   2.2 影响垂直腔面发射激光器线宽的因素
  •     2.2.1 冷腔线宽
  •     2.2.2 α线宽增强因子
  • sp'>    2.2.3 自发发射因子nsp
  •     2.2.4 激光器增益
  •   2.3 基于导模共振耦合腔的VCSEL
  •     2.3.1 导模共振效应
  •     2.3.2 相位与线宽的关系
  •     2.3.3 VCSEL谐振腔满足的相位条件
  •   2.4 本章小结
  • 第3章 导模共振耦合腔的设计与优化
  •   3.1 Comsol软件介绍
  •   3.2 导模共振耦合腔的结构及反射特性
  •   3.3 结构参数对反射相位及线宽的影响
  •     3.3.1 光栅厚度对反射相位与线宽的影响
  •     3.3.2 光栅周期对反射相位与线宽的影响
  •     3.3.3 光栅占空比对反射相位与线宽的影响
  •     3.3.4 间隔层厚度对反射相位与线宽的影响
  •   3.4 导模共振耦合腔结构材料的选择与参数误差分析
  •   3.5 本章小结
  • 第4章 基于导模共振耦合腔的窄线宽VCSEL
  •   4.1 基于导模共振耦合腔的窄线宽VCSEL结构
  •   4.2 基于导模共振耦合腔的VCSEL与传统VCSEL的比较
  •   4.3 导模共振耦合腔与VCSEL的相互耦合
  •   4.4 基于导模共振耦合腔的VCSEL的线宽优化
  •     4.4.1 间隔层厚度对反射谱的影响
  •     4.4.2 间隔层厚度对Q因子的影响
  •     4.4.3 功率对线宽的影响
  •   4.5 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间发表的学术论文
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 胡丕丽

    导师: 关宝璐,徐晨

    关键词: 垂直腔面发射激光器,超窄线宽,导模共振耦合腔

    来源: 北京工业大学

    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: 北京工业大学

    基金: 国家自然科学基金

    分类号: TN248

    DOI: 10.26935/d.cnki.gbjgu.2019.000448

    总页数: 56

    文件大小: 1990K

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