基于嚴(yán)格耦合波理論設(shè)計(jì)了一種以液晶為低折射率材料的Si-SiO₂復(fù)合高對(duì)比光柵,該光柵適合用于實(shí)現(xiàn)液晶可調(diào)諧功能的垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器件。當(dāng)940nm的TM偏振光入射時(shí),通過優(yōu)化參數(shù)可得到寬帶（Δλ=256nm）高反射率（R>99%）且具有偏振穩(wěn)定性的光柵結(jié)構(gòu),滿足垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器頂部腔面反射鏡要求。液晶折射率的改變不會(huì)影響光柵的性能,未來有望將高對(duì)比光柵或混合光柵與液晶可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器。 

【文章來源】：激光與光電子學(xué)進(jìn)展. 2020,57(01)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

Si-SiO2HCG結(jié)構(gòu)示意圖。（a）三維結(jié)構(gòu)示意圖；（b）填充液晶后光柵的截面圖

HCG的厚度決定了不同傳播模式間的相位疊加和模式間的干涉。為了獲得高的反射率，需要選擇合適的厚度使空間模式與透射波互不重疊，在光柵一端形成相消干涉，使能量集中于反射波。圖2(a）中高度有序的棋盤圖案說明HCG高反射性質(zhì)同時(shí)取決于波長(zhǎng)和厚度，是模式間相互干涉的結(jié)果。根據(jù)嚴(yán)格耦合波理論，光柵層厚度對(duì)入射電磁波有很強(qiáng)的調(diào)制作用，周期性地影響入射界面對(duì)切向電場(chǎng)和磁場(chǎng)的反射。當(dāng)硅脊的厚度為0.65～0.8μm時(shí)，表現(xiàn)出中心波長(zhǎng)為940nm的寬帶高反射率特性，在單個(gè)高反射帶內(nèi)，隨著厚度增大，高反射率帶紅移；當(dāng)硅脊的厚度為0.7μm時(shí)，調(diào)制強(qiáng)度最大，適用于激射波長(zhǎng)在900～1000nm間的調(diào)諧VCSEL。圖2(b）表明，SiO2層厚度的大范圍變化對(duì)帶寬高反射率中心波長(zhǎng)具有較小的周期性影響，共振波長(zhǎng)和線寬幾乎沒有變化，大的制作容差有利于HCG的制作，在光柵結(jié)構(gòu)中起到便于制作和集成的功能。由圖2(c）中不同周期對(duì)應(yīng)不同高反射波段可知，HCG周期主要影響帶寬的位置。將HCG看作是周期性波導(dǎo)陣列，其大的折射率對(duì)比度和近波長(zhǎng)尺寸限制，使得只有兩種模式在z方向上攜帶振幅相等、相位相反的能量，二者在出射面上發(fā)生相消干涉。高反射率區(qū)同時(shí)存在兩個(gè)模式的雙模區(qū)域，表現(xiàn)為共振曲線網(wǎng)格化，形成棋盤圖案，其中光柵周期決定了截止頻率，可以用來區(qū)分單模區(qū)、多模區(qū)和雙模區(qū)，因此光柵周期主要影響高反射率帶寬的位置。HCG反射率由導(dǎo)模的傳播常數(shù)決定，并隨著光柵脊寬的變化而變化，隨著占空比改變，高反射率帶寬受到強(qiáng)烈影響，如圖2(d）所示。綜上所述，光柵周期影響反射帶寬的位置，而占空比和硅脊的厚度共同影響帶寬的強(qiáng)度和大小，HCG的寬帶高反射性是三者共同作用的結(jié)果。圖3所示為局部反射率最大時(shí)各參數(shù)與反射率的關(guān)系，可以看出，硅脊厚度和占空比對(duì)高反射率特性的影響較大，可以使光柵反射率達(dá)到99%以上，在影響帶寬強(qiáng)度過程中占主導(dǎo)地位。通過優(yōu)化參數(shù)可以設(shè)計(jì)反射率曲線的中心波長(zhǎng)、最大值和帶寬等特性，對(duì)后續(xù)與VCSEL的結(jié)合起到了積極作用。表1所示為HCG參數(shù)的優(yōu)化區(qū)間，從中選擇調(diào)制強(qiáng)度最強(qiáng)、衍射效果最優(yōu)的光柵參數(shù)，可以得到圖4所示的HCG反射率變化曲線。根據(jù)等效介質(zhì)理論，當(dāng)光經(jīng)過亞波長(zhǎng)光柵時(shí)，TE和TM偏振光會(huì)有不同的等效折射率，表現(xiàn)為雙折射效應(yīng)。然而，在TE或TM偏振光入射情況下，都可以進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，得到大于99%的高反射率。

圖3所示為局部反射率最大時(shí)各參數(shù)與反射率的關(guān)系，可以看出，硅脊厚度和占空比對(duì)高反射率特性的影響較大，可以使光柵反射率達(dá)到99%以上，在影響帶寬強(qiáng)度過程中占主導(dǎo)地位。通過優(yōu)化參數(shù)可以設(shè)計(jì)反射率曲線的中心波長(zhǎng)、最大值和帶寬等特性，對(duì)后續(xù)與VCSEL的結(jié)合起到了積極作用。表1所示為HCG參數(shù)的優(yōu)化區(qū)間，從中選擇調(diào)制強(qiáng)度最強(qiáng)、衍射效果最優(yōu)的光柵參數(shù)，可以得到圖4所示的HCG反射率變化曲線。根據(jù)等效介質(zhì)理論，當(dāng)光經(jīng)過亞波長(zhǎng)光柵時(shí)，TE和TM偏振光會(huì)有不同的等效折射率，表現(xiàn)為雙折射效應(yīng)。然而，在TE或TM偏振光入射情況下，都可以進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，得到大于99%的高反射率。3 分析與討論


本文編號(hào)：3138379