各向异性光反馈注入的垂直表面发射激光器的矢量偏振模转换机理

数值研究了各向异性光反馈注入的垂直表面发射激光器(VCSEL)的矢量偏振模转换机理,研究结果表明,首先,当注入电流接近阈值电流时,由VCSEL的外部参数和偏振器控制的光反馈注入量中各偏振模的能量决定VCSEL 输出的偏振态.其次,由偏振器控制的各向异性光反馈注入引起的VCSEL输出偏振态呈周期性变化.另外,当由偏振器控制的反馈注入量中的x^偏振和y^偏振模能量相当时, x^偏振模和y^偏振模之间竞争激烈,而激光器外部微小的扰动都会打破这两种偏振模竞争 关键词： 各向异性光反馈 垂直表面发射激光器 矢量偏振模     

增益导波垂直腔激光器注入电流空间分布及其对激光近场模式影响的理论分析和表征

依据导电介质的稳态电场理论建立了一种对增益导波型垂直腔半导体激光器注入电流矢量分析的三维解析模型. 计算研究了电流密度空间分布及其与顶面电注入环参量之间的相互关联性. 结果显示在两极之间存在一个载流子径向分布中心极大的区域. 由于激光功率与注入电流之间存在线性关系,因此,要使器件能够获得基模或中心均匀的光强输出以及尽可能低的阈值,应使激光有源层与载流子均匀分布的临界层重合. 计算结果对顶发射与底发射结构以及不同环参数下的载流子分布情况及对近场模式形成的影响进行了分析和讨论. 关键词： 垂直谐振腔激光器 注入电流 激光模式     

侧边抛磨光子晶体光纤传输特性理论分析

在建立了侧边抛磨光子晶体光纤D型光纤光学模型的基础上,采用三维有限差分光束传输法计算和分析了侧边抛磨光子晶体光纤的光功率衰减、传输模场等与抛磨区几何参数(剩余半径、轴向旋转角、侧边抛磨区长度)的变化关系。结果表明,当剩余半径大于-1.5μm时,侧边抛磨光子晶体光纤的光功率衰减随着剩余半径的减小而增大;光沿着光纤传输时,基模光传输到抛磨区光功率发生衰减,经过抛磨区后,基模光功率出现回升。沿不同的轴向旋转角方向侧边抛磨,剩余半径大于0.5μm时,侧边抛磨光子晶体光纤的光功率衰减随着剩余半径变化的差别较小;剩余半径足够小时,光沿着光纤传输到抛磨区时,会产生高阶模,沿轴向旋转角θ=30°侧边抛磨时基模模场分布分散程度最大,且在抛磨区产生更多的高阶模。剩余半径大于1.5μm时,抛磨光纤长度变化对输出光功率影响很小,剩余半径小于1.5μm时,输出光功率透射率随着光纤抛磨长度的变化呈振荡变化。分析结果可为侧边抛磨光子晶体光纤的器件制作提供理论指导。     

1550 nm毫瓦级单横模垂直腔面发射半导体激光器

报道了国内首次实现出光功率达到毫瓦量级的单横模1550 nm波段垂直腔面发射半导体激光器(vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL).设计了基于InAlGaAs四元量子阱的应变发光区结构;设计并制备了具有隧穿特性的台面结构,实现了对载流子空穴的高效注入及横向模式调控;采用半导体分布式布拉格反射镜与介质反射镜结合的方式制备了1550 nm VCSEL的反射镜结构. VCSEL中心波长位于1547.6 nm,工作温度为15℃时最高出光功率可达到2.6 mW,最高单模出光功率达到0.97 mW,最大边模抑制比达到35 dB.随着工作温度增加,激光器最高出光功率由于发光区增益衰减而降低,然而35℃下最大出光功率仍然可以达到1.3 mW.激光器中心波长随工作电流漂移系数为0.13 nm/mA,并且激光波长在单模工作区呈现出非常一致的漂移速度,在气体探测领域具有很好的应用潜力.本研究为下一步通过高密度集成获得高功率1550 nm VCSEL列阵奠定了基础.     

半导体光放大器中光波传输特性研究

根据半导体光放大器(SOA)载流子速率方程和光波在SOA内的传输方程,采用分段的方法计算出光波功率和相位与载流子浓度的关系公式。在泵浦光输入功率分别为5mW和15mW情况下通过仿真得到泵浦光输出波形和归一化转换光波形,其中归一化转换光的波形变化可间接体现不同泵浦光输入功率对SOA内载流子浓度的影响。分析了泵浦光波长和SOA注入电流对探测光的归一化输出、相位和频率啁啾产生的影响。结果表明,随着泵浦光波长的增加,探测光的三种光波特性曲线逐渐趋于平缓。注入电流将会直接影响到SOA的载流子浓度,以此对探测光的输出产生影响,注入电流越大,探测光的频率漂移越远。     

808nm大孔径垂直腔面发射激光器研究

垂直腔面发射激光器(VCSEL)中的载流子聚集效应使注入到有源区的工作电流只是通过边缘环形区域很窄的通道,激光功率密度分布不均匀;尤其当器件尺寸较大时,激射光斑呈现环状,环中间光强很弱.这是研制电抽运高功率大尺寸VCSEL尤为突出的技术难题.采用新型结构成功研制出808 nm波段高功率大孔径VCSEL,在注入电流为1A时,室温下连续输出功率达0.3 W. 关键词： 半导体激光器 垂直腔面发射激光器 高功率 大孔径     

980 nm大功率垂直腔面发射激光器偏振特性

大功率垂直腔面发射激光器单管器件出光口径大、横向模式多。随着注入电流和工作温度的改变出射光偏振态在两个正交偏振基态上转换。为分析输出光偏振特性,采用500μm出光口径980nm底发射器件,通过控制器件热沉温度,利用偏振分光镜分离正交偏振基态为透射波和反射波,半导体综合参数测试仪测量其功率、中心波长等参量。分析得出:两个偏振态的光功率温度特性与未加偏振分光镜时的总输出光的温度特性基本一致,中心波长差随温度升高缓慢增加。在温度低于328K时,随着注入电流的增大,反射波首先达到阈值,形成激射。但透射光波形成激射后其斜效率大于反射波。因此在达到某个电流后两个偏振态的功率变化曲线出现交替。当温度升高到328K以上时两个偏振态的功率曲线却没有明显的交替。根据对大尺寸VCSEL器件偏振特性的研究,提出通过外腔选频的方法来控制偏振的方案,分析计算后得出外腔腔长大约为0.45mm。     

注入电流对垂直腔面发射激光器横模特性的影响

对980nm氧化限制型垂直腔面发射激光器横模进行测试和研究,理论上从时间、空间变量的速率方程出发,利用空间积分法分析了典型电注入参数对弱折射率导引垂直腔面发射激光器(VCSELs)横模行为的影响,通过实验测试,得到VCSELs的横模光场分布情况,并与理论分析进行对比,得出相应的实验结果,在氧化孔径不变的情况下,随着注入电流的增加,载流子分布从有源区中心向边缘移动,模式从低阶基模向高阶模转变,并发生了较强的模式竞争以及载流子空间烧孔效应,最终导致基模强度的降低.另一方面,通过比较不同注入孔径下高阶模的发生时 关键词： 横模 垂直腔面发射激光器 空间烧孔现象 模式竞争     

光伏型光电探测器的激光软损伤机制

 对激光辐照功率密度高于探测器饱和阈值而低于其破坏阈值（中等功率的激光）时光伏型光电探测器的软损伤进行了理论研究，提出了一种新机制。当激光辐照功率密度超过探测器的饱和阈值以后，载流子的带间跃迁达到深度饱和，在半导体内产生热载流子且热载流子的温度高于晶格的温度，从而导致了光伏型光电探测器的电压输出信号随着辐照光功率密度的增加而下降直到零压输出的现象。对激光辐照下光伏型HgCdTe探测器的输出信号进行了模拟计算，结果表明，辐照光功率密度处于一定范围内探测器的输出信号随着辐照光功率密度的增加而逐步下降，甚至接近于零，与实验结果相符合。     

高功率980nm垂直腔面发射激光器的亮度特性

在循环水冷却(工作环境温度控制在15℃)和连续注入电流条件下,从垂直腔面发射激光器(VCSEL)亮度基本定义出发,实验测量了不同注入电流时口径为400μm的高功率980nm InGaAs/GaAs应变量子阱垂直腔面发射激光器(VCSEL)的亮度特性。结果表明:在注入电流4 A时,随着注入电流的增加,亮度也跟着增加;当注入电流4A时,尽管输出功率在增加,但是器件的光束质量变差,M2因子升高,表明此时影响器件亮度的主导因素是M2因子,所以亮度减小;在注入电流为4A,输出功率为1.2W时,亮度达到最大值2.43kW/cm2.sr,此时的光束质量最好,M2因子为207。最后,分析了影响高功率VCSEL器件亮度特性的主要因素,提出了提高器件亮度特性的解决方法。     

894nm高温垂直腔面发射激光器及其芯片级铯原子钟系统的应用

报道了自行研制的894 nm高温垂直腔面发射激光器(VCSEL)以及基于此类器件的芯片级铯原子钟系统的应用实验结果.根据芯片级铯原子钟对VCSEL在特定高温环境下产生894.6 nm线偏振激光的要求,对器件的量子阱增益及腔模位置等材料结构参数进行了优化,确定增益-腔模失谐量为-15 nm,使器件的基本性能在高温环境下保持稳定.研制的VCSEL器件指标为:20—90?C温度范围内阈值电流保持在0.20—0.23 m A,0.5 m A工作电流下输出功率0.1 mW;85.6?C温度环境下激光波长894.6 nm,偏振选择比59.8:1;采用所研制的VCSEL与铯原子作用,获得了芯片级铯原子钟实施激光频率稳频的吸收谱线和实施微波频率稳频的相干布居囚禁谱线.     

Simulation of a ridge-type semiconductor laser for separate confinement of horizontal transverse modes and carriers

A ridge-type semiconductor laser with selectively proton-implanted cladding layers for separate confinement of horizontal transverse modes and carriers is proposed, and lasing characteristics are simulated. Light is confined by the proton-implanted n-cladding layer; carriers are confined by the proton-implanted p-cladding layer. It is found that light output operating in the fundamental transverse mode is enhanced and threshold current is decreased.     

电流孔的尺寸对双氧化限制垂直腔面发射激光器阈值的影响

通过双氧化限制垂直腔面发射激光器中电场、载流子密度、光场和热场空间耦合方程自洽数值求解,研究了垂直腔面发射激光器中阈值特性.得到了氧化层及有源区附近的电势,模拟电流孔的边缘效应,给出了不同双氧化限制电流孔半径下阈值电流密度、载流子密度、基模光场和热场的空间分布.发现了实现最小阈值电流的最佳限制电流孔半径,进而设计了双氧化限制垂直腔面发射激光器的结构. 关键词： 双氧化限制垂直腔面发射激光器 自洽 阈值     

高功率垂直腔面发射半导体激光器优化设计研究

与传统的端发射半导体激光器相比，垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）具有可单模输出，光束对称性好，可被高度聚焦，进入光纤的耦合效率极高和有利于大规模二维列阵等优 点.为了得到高功率的激光输出，除了要增大VCSEL的发射面积之外，关键的是要选择适 当的量子阱层数、有源区电流密度的均匀分布和良好的热管理等.本文详细研究和分析了高功率VCSEL有源区量子阱层数，有源区直径，材料的热导和电阻，电极间距等对VCSEL 器件性能的影响.通过优化参数，进行最佳设计，研制出了980 nm In0.2Ga0.8As/Ga 关键词： 垂直腔面发射激光器（VCSEL） 量子阱 高功率     

Stable single-mode operation of 894.6 nm VCSEL at high temperatures for Cs atomic sensing

In this paper, stable single-mode operation at high temperatures is produced by the surface-relief-integrated vertical cavity surface emitting laser(VCSEL). The gain-cavity mode detuning technique is employed to realize high operating temperatures for the VCSEL. The surface relief is etched in the centre of the top side as a mode discriminator for the fundamental mode output, and the threshold current minimum is 1.94 mA at high temperatures by the gain-cavity mode detuning technique. Maximum single-fundamental-mode output power of 0.45 mW at 80℃ is obtained, and the side mode suppression ratios(SMSRs) are more than 30 dB with increasing temperature and current, respectively.     

Single-mode low threshold current multi-hole vertical-cavity surface-emitting lasers

A multi-hole vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) operating in stable single mode with a low threshold current was produced by introducing multi-leaf scallop holes on the top distributed Bragg-reflector of an oxidation-confined 850 nm VCSEL. The single-mode output power of 2.6 mW, threshold current of 0.6 mA, full width of half maximum lasing spectrum of less than 0.1 nm, side mode suppression ratio of 28.4 dB, and far-field divergence angle of about 10° are obtained. The effects of different hole depths on the optical characteristics are simulated and analysed, including far-field divergence, spectrum and lateral cavity mode. The single-mode performance of this multi-hole device is attributed to the large radiation loss from the inter-hole spacing and the scattering loss at the bottom of the holes, particularly for higher order modes.     

Single transverse mode control of VCSEL by photonic crystal and trench patterning

Single transverse mode control is achieved for multimode GaAs-based VCSEL by utilizing photonic crystal design and etched trench structure. Theoretical analysis is initially performed for photonic crystal design with various lattice constants and air holes diameter. The fabricated photonic crystal VCSEL with etched trench structure exhibits single mode output power of 0.7 mW, threshold current of 3.5 mA, slope efficiency of 0.10 W/A, and continuous single mode output spectrum throughout a wide operating current range. Comparison of typical oxide VCSEL, trench oxide VCSEL, and photonic crystal oxide VCSEL employing trench structure is presented. By combining photonic crystal and trench structure, single transverse mode operation of photonic crystal VCSEL can be much more strictly controlled.     

Influence of Diffusion on Competitive Dynamics of the Modes of Lasers with a Vertical Cavity

The dynamics of radiation of a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) has been simulated numerically under the conditions of a pseudorandom sequence of the pumping current pulses. The influence of diffusion and spatial burning of holes in the carrier concentration distribution in the active layer on the competition of the transverse modes of the VCSEL has been investigated.     

Vertical cavity surface emitting laser transverse mode and polarization control by elliptical holes photonic crystal

The polarization of traditional photonic crystal (PC) vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) is uncontrollable, resulting in the bit error increasing easily. Elliptical hole photonic crystal can control the transverse mode and polarization of VCSEL efficiently. We analyze the far field divergence angle, and birefringence of elliptical hole PC VCSEL. When the ratio of minor axis to major axis b/a=0.7, the PC VCSEL can obtain single mode and polarization. According to the simulation results, we fabricate the device successfully. The output power is 1.7 mW, the far field divergence angle is less than 10°, and the side mode suppression ratio is over 30 dB. The output power in the Y direction is 20 times that in the X direction.