垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)具有閾值電流低、單縱模激射、模式穩(wěn)定性好、易與光纖耦合等眾多優(yōu)點(diǎn),這也使得VCSEL被廣泛地應(yīng)用到光通信、光互連、光計(jì)算和醫(yī)療等領(lǐng)域中。因此,具有調(diào)制速率高、輸出功率大、耗散低、溫度特性好的高性能VCSEL正被廣泛研究和報(bào)道。特別是隨著原子鐘、原子陀螺儀及光泵磁力儀等高新技術(shù)領(lǐng)域的不斷發(fā)展,超窄線寬、單偏振的高光束質(zhì)量VCSEL越來越成為人們的研究熱點(diǎn)。本論文基于亞波長光柵的導(dǎo)模共振耦合腔,將其與垂直腔面發(fā)射激光器相集成,利用導(dǎo)模共振耦合腔具有高反射率和窄線寬的特性,提出了一種基于導(dǎo)模共振耦合腔的窄線寬VCSEL結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文主要研究工作內(nèi)容歸納如下:1.首先,根據(jù)垂直腔面發(fā)射激光器的物理機(jī)制,研究了VCSEL的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。根據(jù)線寬公式,分析了影響激光器線寬的因素,包括激光器的無源腔線寬,線寬增強(qiáng)因子,自發(fā)發(fā)射因子以及激光增益�；趯�(dǎo)模共振的基本原理,研究了亞波長光柵衍射光子發(fā)生共振的條件,并且分析了反射相位與反射譜線寬之間存在的關(guān)系,以及每層結(jié)構(gòu)的相位變化的影響。最后得到VCSEL諧振腔中光波相位與導(dǎo)模共振耦合腔中的光波相位變化關(guān)系。2.通過基于有限元分析法的COMSOL Multiphysics軟件模擬導(dǎo)模共振耦合腔。建立了導(dǎo)模共振耦合腔物理模型,分析其反射特性,并對(duì)導(dǎo)模共振耦合腔的各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)(光柵周期、光柵厚度、間隔層厚度等)進(jìn)行掃描仿真,研究器件結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)反射相位和反射光譜線寬的影響。最終通過確定各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)得到優(yōu)化之后的器件,得到超窄線寬2pm的導(dǎo)模共振耦合腔器件。之后,對(duì)比不同材料結(jié)構(gòu)對(duì)反射特性的影響,模擬分析了各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸的誤差對(duì)性能的影響。結(jié)果表明光柵周期和波導(dǎo)層厚度對(duì)中心波長影響較大,其他結(jié)構(gòu)參數(shù)在工藝誤差范圍內(nèi),對(duì)中心波長和反射線寬影響較小。3.開展基于導(dǎo)模共振耦合腔超窄線寬VCSEL研究與設(shè)計(jì)。通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)比如光柵周期,限制層厚度,使得腔內(nèi)光波相位位置變化,導(dǎo)模共振耦合腔與VCSEL諧振腔相互耦合,得到795nm窄線寬VCSEL。將其與傳統(tǒng)VCSEL諧振腔反射譜的半高全寬(FWHM)相比小了2個(gè)數(shù)量級(jí)。根據(jù)線寬公式可知,VCSEL腔反射譜的半高全寬對(duì)VCSEL激射線寬影響較大,通過改變導(dǎo)模共振耦合腔的結(jié)構(gòu)參數(shù),增強(qiáng)對(duì)波長的精確選擇,得到更窄線寬的VCSEL反射譜。集成導(dǎo)模共振耦合腔的VCSEL線寬達(dá)到了kHz量級(jí),與傳統(tǒng)激光器相比,減小了3個(gè)數(shù)量級(jí)以上。計(jì)算結(jié)果表明,功率為10mW時(shí),反射譜線寬Δv_c為7pm,VCSEL線寬達(dá)到了21.67kHz。
【學(xué)位單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN248
【部分圖文】：

圖 1-1 面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig1-1 Schematic diagram of the surface emitting laser[2]紀(jì)后，在VCSEL迅速發(fā)展的過程中，具有新結(jié)構(gòu)，新000 年，1300nm 波段的 GaInNAs/GaAs 量子阱 VCS]。2003 年，Matsui Y 等人制備了具有可調(diào)諧能力的高 65nm[17]；2008 年，GaN 材料的藍(lán)光 VCSEL 研制長為 850nm 的陣列 VCSEL 輸出功率達(dá)到了 4W 的報(bào).315um，1.46um，3.8um 等波段的激光器被報(bào)道[20-23]積累，工藝技術(shù)的完善，更多種類的 VCSEL 實(shí)現(xiàn)商國的 Nova Crystals 公司、E20 公司、Colifornia 大學(xué)業(yè)大學(xué)以及德國 Infineon 公司和 Ulm 大學(xué)等為代表。國內(nèi)從事 VCSEL 研究較晚，目前有中國科學(xué)院半學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、長春理工大學(xué)CSEL 進(jìn)一步研究，研究方向不同，各有所長。

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的來臨，光網(wǎng)絡(luò)信息處理不斷增加、高密度寬帶通信不斷提高，高性能垂直腔面發(fā)射激光器已成為不可或缺的核心組成部分，被廣泛地應(yīng)用到光通信、光互連、光計(jì)算和醫(yī)療等領(lǐng)域中[26-28]。特別是隨著原子鐘、原子陀螺儀及光泵磁力儀等高新技術(shù)領(lǐng)域的不斷發(fā)展[29-31]，超窄線寬、單偏振的高光束質(zhì)量 VCSEL 越來越成為人們的研究熱點(diǎn)。在理論方面，Schawlow 和 Townes 給出激光線寬的公式[32]，1982 年，Henry進(jìn)一步完善了激光器線寬公式，提出線寬增強(qiáng)因子α，與源區(qū)折射率的變化有關(guān)[33]。研究表明激光器光譜線寬主要與激光器的輸出功率、線寬增強(qiáng)因子α和諧振腔長等相關(guān)。在增益未飽和時(shí)，輸出功率增大使得自發(fā)發(fā)射趨于穩(wěn)定，光譜線寬減��；線寬增強(qiáng)因子α與源區(qū)折射率實(shí)部與虛部隨注入載流子濃度變化的比值有關(guān)，可通過減小α實(shí)現(xiàn)壓窄線寬；增加諧振腔腔長提高了諧振腔的品質(zhì)因子，頻率越穩(wěn)定，光譜線寬越窄。之后，Moller 等人首次通過測量激光器功率與線寬增強(qiáng)因子的乘積確定了 VCSEL 的線寬增強(qiáng)因子，在高頻電流調(diào)制下獲得 VCSEL的線寬增強(qiáng)因子α為 3.7，在 370uW 的輸出功率下線寬達(dá)到 70MHz，兩者乘積為5.4MHz mW[34]。(a)

第 1 章 緒 論銫為 5MHz，使 VCSEL 線寬可以與其相兼容。并且討論了 VCSEL 諧振腔的 因子和有源區(qū)材料的線寬增強(qiáng)因子與 VCSEL 激射線寬的關(guān)系。文中通過增加850nm 單片 VCSEL 的過渡層，如圖 1-2 所示，從而實(shí)現(xiàn)有效腔長的增加，線寬從 50MHz 減小到到 23MHz[35]。
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本文編號(hào)：2836815