【摘要】：垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical-cavity surface-emitting laser,VCSEL)的最早設(shè)想是由日本東京工業(yè)大學(xué)伊賀健一(K.Iga)教授的研究小組在1977年提出的,至今已有40年的歷史。VCSEL是一種出光方向垂直于襯底的面發(fā)射半導(dǎo)體激光器,有在片測試、單縱模工作、圓形光斑易于與光纖耦合、調(diào)制速率高等優(yōu)點(diǎn),商業(yè)化后廣泛應(yīng)用于光互聯(lián)、數(shù)據(jù)傳輸、光通信和氣體探測等領(lǐng)域。VCSEL能夠?qū)崿F(xiàn)多橫模同時(shí)激射,雖然這些橫模與縱模相比,能量比例很小,可是這些橫模在耦合入多模光纖時(shí),會(huì)同時(shí)激發(fā)光纖中的很多模型,造成信道中嚴(yán)重的模式色散,導(dǎo)致誤碼率升高,影響通信系統(tǒng)的質(zhì)量,所以能夠多橫模穩(wěn)定輸出的VCSEL的研究意義深遠(yuǎn)。激光在諧振腔內(nèi)振蕩的過程中,在光束橫截面上形成具有各種不同形式的穩(wěn)定分布,這種穩(wěn)定分布,是按輻射傳播方向區(qū)分的光子態(tài),被稱為激光束的橫向模式,簡稱橫模。激光束在橫截面上所呈現(xiàn)的各種光強(qiáng)不同花樣的穩(wěn)定分布,主要產(chǎn)生于諧振腔反射鏡對光的衍射效應(yīng)。激光器內(nèi)的振蕩模式,按光場空間分布或傳輸特性的不同而區(qū)分為不同的橫模。因?yàn)槎鄼M模的震蕩,會(huì)引起噪聲的增加以及譜線展寬,同時(shí),VCSEL的發(fā)散角也會(huì)迅速增大,影響了器件與光纖的耦合效率。VCSEL的橫模數(shù)會(huì)隨著泵浦條件和熱效應(yīng)的變化而變化,尤其隨著注入電流的不同而產(chǎn)生模式的增減,從而影響其光學(xué)輸出特性。但是,鎖定這些橫模以后,鎖模的VCSEL可以作為一個(gè)幾乎無抖動(dòng)的定時(shí)信號源,可以應(yīng)用在光學(xué)時(shí)鐘和光頻梳中。所以對VCSEL多橫模鎖定的研究是一大熱點(diǎn)。本文的主要研究內(nèi)容如下:1.采用Matlab軟件模擬了標(biāo)準(zhǔn)圓對稱氧化限制型VCSEL的橫模分布,并計(jì)算了其光譜特性。通過模擬得到,當(dāng)氧化孔徑為圓形時(shí),VCSEL激射的多橫模將等間距排開,氧化孔徑為8μm時(shí)VCSEL模式空間距離為0.64nm,而當(dāng)氧化孔徑增大到20μm時(shí)VCSEL的模式空間距離卻減小為0.25nm,即模式空間距離隨著孔徑的增大而減小。2.采用基于光場BPM算法的軟件Rsoft對橢圓氧化孔徑VCSEL的橫向模式進(jìn)行了模擬。通過模擬得到,當(dāng)模式階數(shù)較低時(shí),橫模分布沒有明顯不同,而當(dāng)模式階數(shù)較高時(shí),橢圓VCSEL的橫模分布更集中在一起,模式在短軸方向的分布被限制嚴(yán)重,能量分布不均勻。3.結(jié)合圓形VCSEL的光譜模型和橢圓折射率分布模型,計(jì)算了橢圓氧化孔徑VCSEL的光譜特性。模擬結(jié)果表明,由于橢圓折射率的各向異性分布產(chǎn)生的波長分裂現(xiàn)象直接導(dǎo)致相鄰模式間波長變?yōu)榉堑乳g距分布,并且隨著氧化孔徑的減小,波長分裂程度會(huì)進(jìn)一步增加,最大波長分裂值可達(dá)0.037nm。4.工藝上制備了不同孔徑(4μm-16μm)的圓形氧化孔徑VCSEL器件和部分橢圓形氧化孔徑VCSEL器件,測試了其輸出功率,電壓,閾值電流,斜率效率,近場模式分布和光譜特性,分析其變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)中間接測得波長間距的差值在0.04nm左右,這與我們計(jì)算分析結(jié)果一致。
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN248

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本文編號：2816758