本文關(guān)鍵詞：內(nèi)腔亞波長光柵可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)設(shè)計及研究

  更多相關(guān)文章： 可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器 亞波長光柵 調(diào)諧范圍 偏振控制 閾值增益

【摘要】：隨著信息化時代科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展,高性能垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical cavity Surface Emitting Laser)已成為面向高速高密度集成的光互聯(lián)核心器件。其具有自身獨(dú)特的圓形對稱光斑、小體積、低功耗和高相干度陣列集成等特點(diǎn),并且與傳統(tǒng)邊發(fā)射激光器相比,無需解理封裝可直接在片測試分析,大大降低了制造成本。因此,具有重要的商業(yè)和軍事價值并被大量生產(chǎn),被廣泛地應(yīng)用到光交換、光互連、光計算和生物醫(yī)療等領(lǐng)域中。所以,最近幾年,可調(diào)諧VCSEL已逐步實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)單/多模光纖傳送數(shù)字通信(接入網(wǎng)、骨干網(wǎng))和密集波分復(fù)用(DWDM)系統(tǒng)等全光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。另一方面,人們對光源性能的要求也越來越高,例如,在超快寬帶光信息網(wǎng)絡(luò)、高性能超級計算機(jī)(HPC)中,需要實(shí)現(xiàn)超過1×106的光信道,而傳統(tǒng)VCSEL激光器可以獲得25Gbps以上的調(diào)制速率,但是由于受到量子阱中電子響應(yīng)速度的限制,進(jìn)一步提高調(diào)制速率變得非常困難。在電子產(chǎn)品研發(fā)(激光鼠標(biāo)、激光電視、激光雷達(dá))、醫(yī)學(xué)成像掃描等新領(lǐng)域中,為了獲得更高的可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量,要求激光光波單模偏振輸出。綜合看來,傳統(tǒng)VCSEL在上述高新技術(shù)領(lǐng)域面臨一方面如何達(dá)到寬范圍光波單偏振化,以實(shí)現(xiàn)更低的色散噪聲和更多的信道空間;另一方面如何保持高集成化,以實(shí)現(xiàn)更低的成本和更小的體積;因此,寬范圍可調(diào)諧VCSEL偏振控制技術(shù)的研究成為高性能半導(dǎo)體光源領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。為解決這些難題,我們基于微納光柵結(jié)構(gòu),發(fā)展可調(diào)諧VCSEL多光腔耦合理論,提出耦合光柵微腔激光器結(jié)構(gòu);以及在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)全偏振控制的可調(diào)諧VCSEL技術(shù)。在光波偏振控制過程中,利用光柵強(qiáng)衍射效應(yīng)對正交偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)制的方法,實(shí)現(xiàn)寬范圍全偏振光波鎖定并行調(diào)諧輸出。本文的主要內(nèi)容如下:1.根據(jù)等效介質(zhì)理論分析得到不同亞波長光柵參數(shù)下偏振光的等效折射率變化特性。在此基礎(chǔ)上,利用嚴(yán)格耦合波法分析了亞波長光柵設(shè)計對不同偏振光的透射率影響,并實(shí)現(xiàn)TE和TM兩種偏振光的等效折射率各向異性差達(dá)到1.5。研究發(fā)現(xiàn),亞波長光柵周期設(shè)計對于TE和TM偏振光的等效折射率影響非常小,對于TM偏振變化折射率為0.0035而對于TE為0.0014。在入射波長為850nm的情況下,對TE和TM偏振光,亞波長光柵占空比為0.23和0.8時,TE和TM偏振光的透射率均可達(dá)到99%。此外,亞波長光柵的厚度對TE和TM偏振光的透射率具有周期性影響,在每個周期內(nèi)存在著最佳光柵厚度使它們的透射率達(dá)到最優(yōu),對于TE偏振光的周期是150nm,TM偏振光的周期是300nm。2.建立波長可調(diào)諧VCSEL物理模型,研究不同光柵結(jié)構(gòu)設(shè)計對偏振控制和波長調(diào)諧特性的影響。對比亞波長光柵位于內(nèi)腔、頂DBR上表面,頂DBR下表面三種結(jié)構(gòu)設(shè)計時的波長調(diào)諧范圍和偏振穩(wěn)定性。當(dāng)空氣隙變化300nm時,內(nèi)腔亞波長光柵VCSEL波長調(diào)諧范圍達(dá)到54nm,而另外兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計分布為20nm和12nm。最終得到寬范圍偏振穩(wěn)定內(nèi)腔亞波長光柵VCSEL最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計。3.設(shè)計并優(yōu)化內(nèi)腔亞波長光柵波長可調(diào)諧VCSEL,理論分析了亞波長光柵參數(shù)對TE/TM偏振波長調(diào)諧范圍的影響關(guān)系,并獲得最大TE/TM偏振調(diào)諧范圍的光柵參數(shù):對于TE偏振最佳的亞波長光柵參數(shù)是:占空比0.6,厚度100nm,周期200nm,而對于TM偏振是占空比0.07,厚度150nm,周期200nm。最后研究了內(nèi)腔亞波長光柵可調(diào)諧VCSEL的閾值增益,從而得出TE/TM單偏振最大波長調(diào)諧范圍,在TE偏振穩(wěn)定下18nm波長調(diào)諧范圍,而對于TM偏振可實(shí)現(xiàn)21nm的波長調(diào)諧范圍。
【關(guān)鍵詞】：可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器 亞波長光柵 調(diào)諧范圍 偏振控制 閾值增益
【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】：2016
【分類號】：TN248
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 緒論11-23
• 1.1 垂直腔面發(fā)射激光器概述11-14
• 1.1.1 垂直腔面發(fā)射激光器的發(fā)展歷程11-12
• 1.1.2 垂直腔面發(fā)射激光器的基本結(jié)構(gòu)12-13
• 1.1.3 垂直腔面發(fā)射激光器的特點(diǎn)13-14
• 1.2 波長可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器的研究現(xiàn)狀14-17
• 1.2.1 微機(jī)械懸臂梁電熱激勵可調(diào)諧VCSEL14-15
• 1.2.2 液晶可調(diào)諧VCSEL15-16
• 1.2.3 微機(jī)械懸臂梁靜電激勵可調(diào)諧VCSEL16
• 1.2.4 微機(jī)械懸臂梁壓電激勵可調(diào)諧VCSEL16-17
• 1.3 波長可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器的顯示應(yīng)用17-18
• 1.4 實(shí)現(xiàn)波長可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器偏振控制的研究現(xiàn)狀18-21
• 1.4.1 上DBR下表面亞波長光柵波長可調(diào)諧VCSEL偏振控制19
• 1.4.2 采用高對比度光柵代替上DBR波長可調(diào)諧VCSEL偏振控制19-20
• 1.4.3 內(nèi)腔液晶波長可調(diào)諧VCSEL偏振控制20-21
• 1.5 偏振穩(wěn)定波長可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器的應(yīng)用21
• 1.6 本論文的研究工作21-23
• 第二章 VCSEL基本理論與器件結(jié)構(gòu)23-39
• 2.1 垂直腔面發(fā)射激光器工作原理及基本結(jié)構(gòu)23-28
• 2.1.1 垂直腔面發(fā)射激光器工作原理23-24
• 2.1.2 DBR反射鏡基本結(jié)構(gòu)和工作原理24-25
• 2.1.3 垂直腔面發(fā)射激光器波長調(diào)諧原理和基本結(jié)構(gòu)25-28
• 2.2 單偏振大范圍波長調(diào)諧VCSEL實(shí)現(xiàn)原理28-37
• 2.2.1 亞波長光柵等效介質(zhì)理論28-31
• 2.2.2 亞波長嚴(yán)格耦合波分析法31-37
• 2.3 本章小結(jié)37-39
• 第三章 內(nèi)腔亞波長光柵可調(diào)諧VCSEL波長調(diào)諧39-49
• 3.1 亞波長光柵可調(diào)諧VCSEL波長調(diào)諧范圍的影響39-43
• 3.1.1 增透膜增透原理39-41
• 3.1.2 內(nèi)腔亞波長光柵對可調(diào)諧VCSEL調(diào)諧范圍的影響41-43
• 3.2 不同亞波長光柵位置對可調(diào)諧VCSEL的影響43-47
• 3.2.1 對反射率的影響43-44
• 3.2.2 對駐波場的影響44-45
• 3.2.3 對激射波長的影響45-46
• 3.2.4 對波長調(diào)諧范圍的影響46-47
• 3.3 本章小結(jié)47-49
• 第四章 內(nèi)腔亞波長光柵可調(diào)諧VCSEL偏振控制及優(yōu)化49-59
• 4.1 內(nèi)腔亞波長光柵波長可調(diào)諧VCSEL的偏振控制49-53
• 4.2 亞波長光柵參數(shù)對ISWG-VCSEL波長調(diào)諧范圍的影響53-57
• 4.3 內(nèi)腔亞波長光柵可調(diào)諧VCSEL的優(yōu)化57-58
• 4.4 本章小結(jié)58-59
• 結(jié)論59-61
• 參考文獻(xiàn)61-65
• 攻讀碩士期間發(fā)表的論文65-67
• 致謝67

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