麦姆斯咨询|具有偏振分束功能的894nm垂直腔面发射激光器( 二 )
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图1894nmNSPG-VCSEL的横截面结构示意图
2.1阈值特性
已知阈值电流的表达式
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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】其中 ， γ为损耗系数 ， αm为镜面损耗 ， τr为光学限制因子 ， ηi为内部量子效率 。
影响器件阈值特性的主要因素有腔体的损耗、有源区的体积、有源区的材料选取 ， 为得到NSPG-VCSEL的低阈值电流 ， 我们采取了以下措施：降低腔体的损耗 ， 即增加DBR的反射率 ， DBR选择由两种厚度为λ/4的高低折射率材料交替生长而成；减小发光区有源区的体积 ， 即减小量子阱的厚度 ， 选用了6nm的量子阱厚度 ， 与一般结构相比具有较小量子阱厚度且增益能够达到最佳效果；选取了Ntr值较低g0值较高的材料 ， 在达到减小阈值电流的同时保证了阈值增益满足产生激光的必要条件 。
2.2高温特性
高温工作环境中 ， 为使器件稳定在工作波长 ， 腔模是其最主要的决定因素 ， 当光通过K层材料后产生的传输矩阵可以表示为：
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由上式得出器件在不同波长处对应的反射率、反射谱 ， 进而获得腔模位置 。 随着环境温度的升高 ， 腔模位置会发生红移 ， 但是由于AlGaAs材料折射率受温度影响很小 ， 因而 ， 腔模红移的速率很小 ， 可以忽略不计 。 同时 ， 量子阱增益峰值波长也会随之红移 ， 因此 ， 在室温下将量子阱增益峰值对应的波长适当的蓝移 ， 随工作温度的升高 ， 量子阱增益峰值不断靠近腔模位置 ， 当升高到某一温度时 ， 量子阱增益峰波长与腔模相匹配满足工作波长的要求 。
器件自热效应与电流、氧化孔径尺寸比例关系可表示为：
其中ｄ为氧化孔径的尺寸 。
上式说明相同的电流注入下 ， 当温度升高时 ， 较小氧化孔径会使散射损耗增大 ， 载流子会从量子阱中逸出 ， 因此 ， 较小的氧化孔径的NSPG-VCSEL自热效应更明显 。 此外 ， 由于椭圆形不是对称结构 ， 在短轴方向的出光信号分布受到限制 ， 导致光场能量分布不均匀 。 在不同方向的折射率分布也不均匀 ， 导致出射波长蓝移 。 随着氧化孔径的增大 ， 不同径向的折射率差值会随之减小 ， 各向异性减弱 ， 器件的出射波长稳定 。 因此 ， 本器件采用标准圆形较大尺寸的氧化孔径 。
选择适当的增益腔模失配量以及氧化孔径的形状、尺寸对NSPG-VCSEL的高温性能至关重要 。
3光栅理论
图2所示为具有会聚功能的偏振分束光栅结构示意图 。 下层是表面刻蚀的AlGaAs结构 ， 主要实现偏振分束功能 ， TE和TM的混合偏振光垂直入射在下层光栅表面 ， 将入射光分成TE和TM偏振光 ， 分别向左右两个方向传播 。 当波长为894nm的TE与TM混合偏振光垂直入射至光栅表面时 ， TM偏振光几乎完全被衍射至1级 ， 而TE偏振光则被衍射至-1级 。 根据光栅方程 ， 计算可以得到 ， TE偏振光在-1级的衍射效率为96.12% ， TM偏振光在1级的衍射效率高达99.61% 。
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图2具有会聚功能的偏振分束光栅结构示意图
上层结构主要是实现光束透射会聚作用 。 TE和TM两个偏振光作为入射光经过下层的非周期亚波长光栅使各自光束会聚到两个不同的焦点处 。 图3（a）给出了TM偏振光的各个光栅单元周期和占空比的详细参数以及对应的相位分布情况 。 图3（b）给出了TE偏振光各个光栅单元周期和占空比的详细参数以及对应的相位分布情况 。 从图中可以看出 ， 离散相位的各点几乎全部位于连续相位的曲线上 ， 这两种分布基本一致 ， 进而实现非周期性亚波长光栅的会聚功能 。
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