氧化孔形状对光子晶体垂直腔面发射激光器模式的影响

用时域有限差分方法对氧化孔限制型外腔式光子晶体垂直腔面发射激光器 (VCSEL) 在小氧化孔下氧化孔形状对激光器模式特性的影响进行了模拟计算. 建立了三维光子晶体面发射激光器光场计算模型, 分析了氧化孔形状变化对器件远场特性与频率特性的影响. 研究发现, 氧化孔形状可影响光子晶体VCSEL的模式特性, 尤其是频谱特性. 从模场分布的角度可解释为菱形氧化孔的对称性与高阶模的不一致. 但随着光子晶体刻蚀深度的增加和氧化孔的增大, 这种影响逐渐减小, 分析解释了其原因. 研究结果为提高光子晶体面发射激光器的性能提供了参考.     

940 nm垂直腔面发射激光器单管器件的设计与制备

计算了InGaAs/AlGaAs量子阱的激射波长与阱垒厚度的关系,并通过Rsoft软件计算了不同温度下的材料增益特性.计算并分析了渐变层厚度对分布布拉格反射镜(distributed Bragg reflectors,DBRs)势垒尖峰及反射谱的影响,通过传输矩阵理论得到P-DBR和N-DBR的反射谱和相位谱.模拟了垂直腔面发射激光器(vertical surface emitting lasers,VCSEL)结构整体的光场分布,驻波波峰与量子阱位置符合,基于有限元分析模拟了氧化层对电流限制的影响.通过计算光子晶体垂直腔面发射激光器(photonic crystal vertical cavity surface emitting lasers,PC-VCSEL)中不同的模式分布及其品质因子Q,证明该结构可以有效地实现基横模输出.通过光刻、刻蚀、沉积、剥离等半导体工艺成功制备出氧化孔径为22μm的VCSEL和PC-VCSEL,VCSEL的阈值电流为5.2 mA,斜率效率0.67 mW/mA,在不同电流光谱测试中均是明显的多横模输出;PC-VCSEL的阈值电流为6.5 mA,基横模输出...     

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     

氧化光栅型垂直腔面发射激光器的研究

通过分析矩形出光孔径和亚波长金属光栅结构,发现大孔径高功率垂直腔面发射激光器(VCSEL)的偏振控制的难点在于横模非常复杂。因此提出一种新型的氧化光栅型VCSEL结构,不仅能够很好地在有源区内引入各项异性的增益结构,并且最大的优势还在于能够完美地控制大孔径VCSEL的横模。通过有限元软件对器件有源区的电流分布进行了模拟,发现当光栅脊的宽度为1.8 μm时,载流子在光栅两端聚集的现象基本上可以消除,而且其电流密度分布差可以达到很高。     

高速850 nm垂直腔面发射激光器的优化设计与外延生长

利用传输矩阵理论和TFCalc薄膜设计软件分析了分布布拉格反射镜和垂直腔面发射激光器(VCSEL)的反射率谱特性,对比了从谐振腔入射与从表面入射时反射率谱的差异,为白光反射谱表征VCSEL外延片提供了依据.利用Crosslight软件模拟了InGaAs/AlGaAs应变量子阱的增益谱随温度的变化特性及VCSEL器件内部温度分布,设计了增益-腔模调谐的VCSEL.采用金属有机物化学气相淀积设备外延生长了顶发射VCSEL,制作了氧化孔径为7.5μm的氧化限制型VCSEL器件,测试了器件的直流特性、光谱特性和眼图特性;6 mA,2.5 V偏置条件下输出光功率达5 mW,4级脉冲幅度调制传输速率达50 Gbit/s.     

AlInGaAs/AlGaAs垂直腔面发射激光器温度特性的对比研究

通过测量、对比材料生长和器件制备条件基本相似，但是谐振腔腔模波长与增益峰值波长相对位置明显不同的两类氧化物限制型应变AlInGaAs/AlGaAs量子阱垂直腔面发射激光器(VCSEL)在261—369K温度范围内输出光功率-电流的变温曲线，同时结合测试得到的两类样品的白光反射谱、光荧光谱以及模拟计算得到的不同温度下VCSEL反射谱和增益谱，分析了输出光功率、阈值电流、斜率效率和激射波长随温度变化的关系，掌握了新材料AlInGaAs的温度特性，得到了谐振腔腔模波长和增益峰值波长的相对位置对VCSEL输出特性，尤其是对阈值的影响规律，指出获得室温工作阈值最低且稳定的VCSEL的一个方法是调整谐振腔腔模波长和增益峰值波长的相对位置，并利用这种方法获得了特征温度T₀=333K的AlInGaAs/AlGaAs量子阱VCSEL器件. 关键词： AlInGaAs 垂直腔面发射激光器 特征温度     

795 nm高温高功率垂直腔面发射激光器及原子陀螺仪应用

在传统的氧化物约束型的垂直腔面发射半导体激光器中,横向光限制主要取决于氧化层的厚度及其相对于腔内光驻波分布的位置.通过减少外延结构中氧化层与光场驻波分布之间的重叠,可以降低芯层与包层之间的有效折射率差,从而减少腔内可存在的横向模的数量,并增加横模向氧化物孔径之外的扩展.本文利用这一原理设计并制作了一个795 nm的大氧化孔径的垂直腔面发射激光器.器件在80℃下可实现4.1 mW的高功率单基模工作,最高边模抑制比为41.68 dB,最高正交偏振抑制比为27.46 dB.将VCSEL作为抽运源应用于核磁共振陀螺仪系统样机中,实验结果表面新设计的VCSEL可以满足陀螺系统的初步应用需求.     

高功率转换效率905 nm垂直腔面发射激光器的设计与制备

通过对影响垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser, VCSEL)的功率转换效率的因素进行理论分析,得出斜率效率是影响功率转换效率的主要因素的结论.为获得高功率转换效率,通过对有源区量子阱、P型和N型分布布拉格反射镜(DBR)等进行优化,设计出了905 nm VCSEL的外延结构并进行了高质量外延生长.成功制备出了不同氧化孔径的905 nm VCSEL器件,获得的最大斜率效率为1.12 W/A,最大转换效率为44.8%.此外,探究了氧化孔径对VCSEL的远场和光谱特性的影响.这种具有高功率转换效率的905 nm VCSEL器件为激光雷达的小型化、低成本化提供了良好的基础数据.     

高速低能耗垂直腔面发射激光器的基于氧化限制孔径影响的强度噪声分析（英文）

对不同氧化孔径尺寸的高速,低能耗的垂直腔面发射激光器(VCSEL)进行了相对强度噪声(RIN)分析.小氧化物尺寸孔径的VCSELs器件更适用于低能耗数据传输,且RIN特性与低能耗性能没有冲突.实验结果表明,适合低能耗、高温度稳定性工作的小氧化孔径VCSELs器件同时表现出较好的噪声性能.高速低能耗VCSEL能够满足32GFC光纤通道标准的RIN要求,在将来的高性能计算机应用中具有巨大优势.     

环形ZnO薄膜谐振器的横模抑制与测试分析

采用Tiersten方程研究了环形ZnO薄膜谐振器中横模寄生问题, 获得了环(圆)形薄膜谐振器的横模振动方程, 求得横模位移场解和频率色散方程; 然后采用电磁学模式合成理论进行分析, 发现环形薄膜谐振器横模频率与环形电极的内外径之比a/b有关, 振动模式可由圆形薄膜谐振器横模模式合成得到, 通过控制a/b能够抑制横模模式数和调控基膜频率. 采用外差激光干涉仪和网络矢量分析仪测量并比较了同批次的圆形和环形薄膜谐振器的上电极横模振动图样和电阻抗曲线. 振动图样显示环形薄膜谐振器振动模式可由半径为a和半径为b的圆形薄膜谐振器振动模式合成, 仅存在节圆数大于0的横模振动, 等于0的横模模式被抑制; 电阻抗曲线显示当a/b为0.436时, 环形薄膜谐振器的基频(约1217 MHz)和圆形的(0, 1)模式频率相等. 测量数据验证了模式合成理论的分析结果正确性, 为薄膜谐振器的横模抑制研究提供了理论基础和新方法.     

基于模式转换及双峰谐振效应的薄包层镀膜长周期光纤光栅特性研究

基于耦合模理论,首先研究了镀膜长周期光纤光栅(LPFG)高阶包层模的模式转换,划分了高阶包层模的非模式转换区及模式转换区。分析了高阶包层模有效折射率随薄膜厚度增加的响应特性,包层模谐振波长在模式转换区的偏移量要大于非模式转换区。在此基础上,研究了不同包层半径下高阶包层模谐振波长随光栅周期的变化情况,结果表明,相同包层半径下模式转换区内双峰间距的偏移量大于非模式转换区;无论在模式转换区还是非模式转换区,包层半径的减小将增加双峰间距的偏移量。最后分析了不同包层半径下的高阶包层模双峰透射谱在模式转换区及非模式转换区内的折射率响应,进而提出了薄包层镀膜LPFG的优化设计方案,当选定敏感膜层厚度及折射率处于镀膜LPFG的模式转换区内,光栅周期靠近相位匹配转折点时,将得到灵敏度高于传统LPFG双峰传感器的镀膜LPFG折射率型双峰传感器;而减小包层半径,将进一步提高传感器的分辨本领。     

高功率光纤中传输光模式与其波长相关性研究

针对高功率光纤激光模式诊断和光谱诊断的需求,研究了光纤中传输模式的波长相关性,数值计算了光纤中各个模式的模场分布随波长的变化曲线及相应的光束质量,采用双傅里叶变换F~2法实际测量了光纤模式成分与波长的关系曲线.结果表明,光纤中各个模式的模场分布随波长变化,波长越长,模场面积越大;模式的光束质量随波长变化不大,但在截止频率附近明显变差;光纤中各个模式的功率占比与波长有关.     

少模光纤布拉格光栅折射率传感的分析与测量

理论分析和模拟计算了少模光纤布拉格光栅基模及高阶模的耦合与传输特性,得到在相同外部折射率变化情况下,少模光纤基模与高阶模耦合对应的布拉格波长变化,比正、反向基模之间耦合对应的布拉格波长变化显著增大.实验上制作了少模光纤布拉格光栅,测量了基模之间以及基模与高阶模之间对应的布拉格波长随外部折射率、温度变化的情况,得到与理论分析相符的结果.而对于温度变化对折射率测量结果干扰的问题,提出了通过计算布拉格波长差来克服温度影响的方法.这些结果为采用布拉格光纤光栅测量外部折射率变化提供了一种新的途径.     

猫眼腔激光器的横模变换与频率分裂

为了产生多种激光横模,以前的系统相对比较复杂,而且一般只能产生基横模和低阶横模,很难产生高阶横模,同时也很难观察到模竞争中一个频率抑制另一个频率的变化过程。基于猫眼谐振腔激光器和频率分裂技术,提出了一种新型的激光原理综合实验系统。该系统利用猫眼逆向器作为He-Ne激光器的一个腔镜,通过调节猫眼逆向器中两镜片间距可输出包括基横模、低阶横模、高阶横模在内的十余种典型横模,并可完成纵模、偏振、出光带宽等多种激光基本特性的实验。同时在基横模状态下,利用谐振腔内加入的石英晶体片可实现激光频率分裂及其频差调节。在此基础上又可实现完整的模竞争过程的观察。     

N-DBR和双氧化限制层对VCSEL电、光、热特性的影响

根据增益波导垂直腔面发射激光器直接耦合的准三维理论模型，通过有限差分法对注入电流密度、载流子浓度、光场和热场分布方程求自洽解.研究了垂直腔面发射激光器的电、热和光波导特性，同时提出了一种具有双氧化限制层的增益波导垂直腔面发射激光器结构，并通过对比研究了N-型分布布喇格反射镜和双氧化限制层对增益波导垂直腔面发射激光器特性的影响.计算结果表明，如果忽略N-型分布布喇格反射镜的影响将与实际的垂直腔面发射激光器有较大偏差；双氧化限制层结构对激光器特性有较大的改善，它为增益波导垂直腔面发射激光器提供了一种降低阈值，抑制高阶横模的方法.     

Transverse modes of a diode-laser pumped monolithic unidirectional non-planar ring laser

Diode-laser pumped monolithic single-frequency non-planar ring laser has the advantages of compactness, reliability and high efficiency. But when the pump power is high enough, the thermal effect will be serious and the high-order transverse modes will appear. Therefore the single-mode output power is limited. In this paper, the mechanism of generating the high-order transverse modes in the monolithic unidirectional non-planar ring cavity is analyzed using ray tracing method. The calculated results are in agreement with the experiments.     

Numerical Investigation of the Effects of the Injection Current on the SHB-Effects of VCSEL''s

A spatially independent model of vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSEL's) is built up in this paper by integrating the spatially dependent rate equations over the cross section of the active reigon of VCSEL's. The LP cosine modes in a weakly guiding cylindrical waveguide are used to represent the transverse modes in the VCSEL's cavity. This model is performed numerically with the 4^th order Runge-Kutta method in a self-consistent way. The dynamic and steady state characteristics of the multi-transverse mode competitions are investigated in detail. Different kinds of injection currents such as a disk-contact and ring-contact injection current are employed in these numerically implementations. Some interesting results are obtained and analyzed detailedly.     

含单负材料的不对称平板波导的传导模

利用图解法系统地研究了由不同类型的单负材料作为包层的三层平板波导的模式特征.研究表明单负介质波导具有一系列奇异的特性,与传统介质波导或左手介质波导相比,此波导的芯区横向振荡导模的模折射率范围较大.除0阶导模外,其它TE,TM导模均为芯区横向振荡模,且同阶的TE、TM模的色散曲线几乎重合,只有0阶的TE,TM模才可以支持表面波的传播.单负介质的结构参数对0阶导模的影响较大.一定条件下,波导中可以出现0阶导模的完伞缺失或仅支持表面波的传输,还会出现超慢波现象,甚至可以共生都是后向波的0阶双模.