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麦姆斯咨询|具有偏振分束功能的894nm垂直腔面发射激光器

本文内容转载自《光电子·激光》2019年第6期 ， 版权归《光电子·激光》编辑部所有 。
姜夕梅 ， 范鑫烨 ， 白成林
聊城大学物理科学与信息工程学院
摘要：垂直腔面发射激光器是先进光学信息系统的关键器件之一 ， 具有低成本、低发散角、窄线宽等优点 。 为满足垂直腔面发射激光器在微型原子钟、军事通信等领域的应用 ， 优化激光器的结构参数来改善腔模位置以及在顶层集成光栅改善出光信号的光场分布就变得尤为重要 。 基于增益腔模失谐技术以及光栅优异的光束会聚、偏振分束功能 ， 提出一种基于非周期性亚波长光栅的894nm垂直腔面发射激光器 。 利用光栅的偏振分束功能 ， 可使器件输出端口的消光大于30dB 。 通过改善腔模位置以及氧化孔径 ， 器件在20~90℃范围内基本工作性能保持稳定 ， 在85℃环境下工作波长满足微型原子钟的要求 ， 输出光功率为2mW ， 为下一代微型原子钟、军事通信等的发展提供了良好的理论基础 。
关键词：垂直腔面发射激光器；非周期性亚波长光栅；腔模位置；氧化孔径；光束会聚；偏振分束
1引言
自1977年 ， 日本东京工业大学的伊贺健一（KenichiIga）提出垂直腔面发射激光器（VerticalCavitySurfaceEmittingLaser ， VCSEL）的概念开始 ， 因其光学谐振腔与半导体芯片衬底垂直 ， 能够实现芯片表面的激光发射 ， 且具有低成本、窄线宽、易高频调制、动态单模工作等优点被广泛应用 。 在军事通信、原子陀螺仪、微型原子钟等领域具有重要的意义 ， 目前开发研究具有高效偏振性能、耐高温性能的VCSEL已经成为国际研究的热点 。
随着VCSEL的广泛应用 ， 其某些缺陷和不足之处也逐渐呈现出来：当VCSEL工作在连续波时 ， 由于电流的注入和器件结电阻、体电阻等原因使器件自身产生的热量以及工作环境中温度的升高 ， 会导致VCSEL有源区在阈值处的温度比衬底高25~30℃ 。 当高于26℃时 ， 温度的升高会使激光器出现激射波长向长波长方向漂移、阈值电流增加、模式不稳定、光电转换效率降低 。 此外 ， 还会造成有源区各材料层间产生热应力 ， 而使激光器的寿命受到影响 。 因此 ， 高温（85±5℃）是VCSEL实现稳定工作的主要限制因素 ， 改善激光器的耐高温特性对提高器件性能稳定性及使用寿命具有极其重要的现实意义 。 此外 ， VCSEL属于柱对称结构 ， 正交偏振的两束偏振光没有主次之分 ， 而且两束偏振光会沿任意角度传播 ， 因此无法获得具有稳定偏振的输出 。 目前在解决VCSEL偏振问题时 ， 一般通过在器件顶层集成亚波长光栅的方式实现 ， 从而使得TM偏振光被透射出去作为激光器的出射光 ， TE偏振光则是被反射回激光器的腔内参与振荡 ， 不过在具体分析时均未考虑被反射回腔内的TE偏振光对激光器原有工作性能的影响 。
为解决以上VCSEL存在的问题 ， 我们提出一种基于非周期性亚波长偏振分束光栅的垂直腔面发射激光器（VCSELbasedonNon-periodicSubwavelengthPolarizationbeamsplittingGrating ， NSPG-VCSEL） 。 通过分析在温度升高时腔模位置以及氧化孔径对于激射波长的影响 ， 确定了NSPG-VCSEL光栅实现偏振分束的相位条件 ， 建立了NSPG-VCSEL系统模型 。 基于改善腔模位置以及优化氧化孔径实现了NSPG-VCSEL的耐高温性能 ， 通过对比本器件加偏振分束光栅前后输出光功率、消光比等参数 ， 发现完全能够满足微型原子钟、军事通信等领域对激光器波长以及出光信号的要求 。
2894nmNSPG-VCSEL结构设计理论
图1所示为894nmNSPG-VCSEL的横截面结构示意图 。 通过有机金属化学气相沉积（Metal-organicChemicalVaporDeposition ， MOCVD）在GaAs衬底上生长NSPG-VCSEL的外延半导体结构 。 有源区包含3个提供光增益的InGaAs应变量子阱 ， 底部分布布拉格反射镜（NDBR）和顶部分布布拉格反射镜（PDBR）由34/22.5对Al0.12Ga0.88As/Al0.9Ga0.1As层组成 。 在有源区和PDBR之间生长30nm厚的Al0.98Ga0.02As层作为氧化限制层 。 顶层是120nm厚的非周期性亚波长光栅结构 ， 光栅的材料为AlGaAs 。


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