高光束质量垂直腔面发射激光器同相耦合阵列

质子注入型面发射激光器相干耦合阵列能够实现同相模式的激射,但是由于制作过程中的工艺不均匀性引起单元间存在相位差,影响光束的质量。本文通过设计分离电极结构,使每个单元注入的电流得到分别的控制,实现了3单元三角排列阵列高光束质量同相耦合模式的激射。阵列远场发散角仅为3.4°,大约有25.6%的全部能量聚集在中心光斑。激射光谱的线宽为0.24 nm,边模抑制比为27 dB。该方法能够有效提高相干耦合阵列的光束质量,弥补制作工艺中引入的单元不均匀性,提高器件的可靠性和实用性。质子注入方法简单、成本低,能够成为制作高光束质量相干耦合阵列的一个重要方法。     

Simulation of Far-Field Properties of Coherent Vertical Cavity Surface Emitting Laser Array

Far-field properties dependent on array scale,separation,element width and emitted wavelength are systematically analyzed theoretically and experimentally.An array model based on the finite-difference method is established to simulate the far-field profile of the coherent arrays.Some important conclusions are obtained.To achieve a higher quality beam,it is necessary to decrease separation between elements,or to increase the element width.Higher brightness can be achieved in the array with larger scale.Emitted wavelength also has an influence on the far-Geld prohle.These analyses can be extended to the future design of coherent vertical cavity surface emitting laser arrays.     

大功率垂直腔面发射激光器列阵的热模拟及优化

对垂直腔面发射激光器的产热情况进行了分析,简化了热源,建立了列阵的热传导模型,利用Comsol Multiphysics软件对模型进行了模拟计算。通过改变底发射列阵的单元直径和间距,对列阵的温升进行了计算。研制了4×4、5×5和8×8三种不同尺寸的列阵,功率分别为580,1 440,2 100 mW,对应功率密度分别为115,374,853 W/cm2。通过光谱的波长漂移计算出4 A时的温升分别为120,58,38℃。采用小孔径单元制作的列阵可以有效地降低列阵单元间的热串扰,获得高功率输出。     

980nm OPS-VECSEL关键参数的理论分析

光抽运半导体垂直外腔面发射激光器(Optically Pumped Semiconductor Vertical External Cavity SurfaceEmission Laser)的输出特性受到诸多参数的影响,理论分析和模拟显得尤为重要.设计了一种以808 nm二极管激光耦合模块为光抽运光源,In_0.159Ga_0.841As/GaAs_0.94P_0.06为增益介质的980 nm光抽运垂直外腔面发射激光器,并借助于PICS3D软件计算了器件各种特性参数.分析了芯片半径、量子阱的周期数以及外腔镜反射率对器件性能的影响,特别是对阈值和光-光转换效率的影响.模拟结果表明,器件的半径影响光-光转换效率.量子阱个数和外腔镜反射率对器件的输出功率和光-光转换效率都有影响,所以要根据实际需要,设计、生长结构和进行实验.     

纵向耦合对垂直腔面发射激光器的影响

考虑到垂直腔面发射激光器中的光子与载流子的纵向耦合,在行波速率方程中引入了纵向耦合因子。利用这个速率方程,讨论了阀值电流与量子阱数目的关系,计算结果表明光子与载流子的纵向耦合是不容忽视的。给出了阀值电流表达式,它表明纵向耦合因子越大,阀值电流越低。     

利用垂直腔表面发射激光器注入锁定实现上变频

提出了一种基于垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的无本振光子微波上变频方案。该方案将相对低速的伪随机基带信号注入VCSEL中,利用注入信号的高次谐波注入锁定VCSEL。被锁定激光器波长与原注入光信号在谐振腔中相干差拍,产生上变频调幅微波信号。实验中利用2.5Gb/s非归零码强度调制信号注入锁定VCSEL,无需本振,实现了载波频率为14.3GHz的光子微波上变频,10kHz偏移处载波相位噪声达-81dBc/Hz。通过调节注入光信号的波长和功率,进一步实现载波频率在7.5~23GHz之间的调谐,验证了该方案的可行性,并对系统性能进行了误码分析,系统代价为1.4dB。结果证明该方案无需微波本振,仅需采用价格低廉的VCSEL即可实现光子微波上变频,从而为无线光混合接入网中光子微波信号产生技术提供了一种低成本的解决思路。     

高功率垂直腔面发射激光器的光束准直特性

基于高斯光束的准直原理,针对不同结构参数的大功率垂直腔面发射激光器光束特征,通过选用合适参数的透镜,研究了不同连续和脉冲电流条件激励下光束的准直特性.对于出光口径为200 μm的器件,通过f=3.1 mm,NA =0.68的透镜,连续工作条件下,准直后的最小发散角达到1°;在电流为40A、脉宽60 ns、重复频率1 k...     

A Single-Fundamental-Mode Photonic Crystal Vertical Cavity Surface Emitting Laser

Single-fundamental-mode photonic crystal （PhC） vertical cavity surface emitting lasers （VCSEL） are produced and their single-fundamental-mode performances are investigated and demonstrated. A two-dimensional PhC with single-point-defect structure is fabricated using UV photolithography and inductive coupled plasma reactive ion etching on the surface of the VCSEL＇s top distributed Bragg-reflector. The PhC VCSEL maintains single-fundamental-mode operating with output power 1.7 mW and threshold current 2.5 mA. The full width half maximum of the lasing spectrum is less than 0.1 nm, the far field divergence angle is less than 10° and the side mode suppression ratio is over 35 dB. The device characteristics are analyzed based on the effective index model of the photonic crystal fiber. The experimental results agree well with the theoretical expectation.     

808 nm垂直腔面发射激光器列阵的温度特性分析

为了研究温度对808 nm InGaAlAs垂直腔面发射激光器（VCSEL）列阵输出特性的影响,通过变温塞耳迈耶尔方程计算了InGaAlAs量子阱VCSEL的温度漂移系数。采用非闭合环结构,制备了2×2 的808 nm垂直腔面发射激光器列阵,每个单元的出光口径为60 μm。通过热沉温度调节,对不同温度下的列阵激射波长、光功率以及阈值电流进行了测量。在温度为20 ℃、脉宽为50 μs、重复频率为100 Hz的脉冲条件下,列阵的最大输出功率达到56 mW,中心光谱值为808.38 nm,光谱半宽为2.5 nm,连续输出功率达到22 mW。通过变温测试,发现输出功率在50 ℃以上衰减剧烈,列阵的温漂系数为0.055 nm/℃。实验测得的温漂系数与理论值保持一致。     

垂直腔面发射激光器湿法氧化工艺的实验研究

在湿法氧化过程中采用一种自制的新型红外光源显微镜和CCD相机俯视成像系统监测被氧化晶圆片上氧化标记点颜色的变化,通过CCD相机得到的氧化标记点尺寸大小与实际氧化标记点尺寸大小的比例计算,由氧化标记点变化颜色的尺寸大小获得实际晶圆被氧化尺寸大小,反馈调节氧化工艺,保证控制垂直腔面发射激光器（VCSELs）的氧化孔径精度在±1 μm。根据氧化实验总结高Al组分含量对氧化孔形状影响、氧化速率随温度变化及氧化深度随时间变化规律,得到在炉温420℃、水浴温度90℃、氧化载气N₂流量200 mL/min的工艺条件下,氧化速率为0.31 μm/min,实现量产高速调制4×25 Gbit/s的850 nm VCSELs。室温条件下,各子单元器件工作电压为2.2 V,阈值电流为0.8 mA,斜效率为0.8 W/A。在6 mA工作电流下,光功率为4.6 mW。     

Design and Fabrication of Microlens Array for Near-Field Vertical Cavity Surface Emitting Laser Parallel Optical Head

A GaP microlens for collecting laser light was developed in the tip of a near-field probe. It is important to realize a near-field optical probe head with high throughput and a small spot size. The design and fabrication results of the GaP microlens array are described. The most suitable GaP microlens with a probe was calculated as having a 10 μm radius using the two-dimensional finite difference time domain (2-D FDTD) method. The full width half maximum (FWHM) spot size variation and optical power density tolerance were calculated as 157 nm ± 5 nm and 7%, respectively. A spherical GaP microlens was fabricated with a radius of 10 μm by controlling the Cl₂/Ar gas mixture ratio. The difference between the theoretical spherical shape and the fabricated GaP microlens was evaluated as 40 nm at peak to valley. The FWHM spot size and optical throughput of the fabricated microlens were measured as 520 nm and 63%, respectively. The microlens was the same as a theoretical lens with a 10 μm radius. The micron-lens array fabrication process for a near-field optical head was demonstrated in this experiment.     

高速1550nm垂直腔面发射激光器研究进展

垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有生产成本低、调制速率高等优点,在光通信领域占有重要地位。随着数据需求量的飞速增长,在长距离信息传输中,具有低损耗的1 550 nm波长的VCSEL引起了研究人员的兴趣。本文首先介绍了1 550 nm VCSEL的结构,然后讨论了其带宽限制因素以及相应的改进方法,接着从NRZ(不归零)调制和PAM4(四电平脉冲幅度)调制两方面对近年来高速1 550 nm VCSEL的研究进展进行了综述,最后展望了高速1 550 nm VCSEL在未来光通信领域的发展和应用。     

光学相控阵光束电扫描技术及仿真

光学相控阵技术是一种新型光束偏转及扫描技术,介绍了光学相控阵技术光束电扫描的原理,分析了光学相控阵主要参数及高斯光束替代平行光束入射对偏转效果的影响,研究了三种利用光学相控阵实现多光束扫描的方法。研究结果表明,为了提高光束质量应尽量减小单元周期,增大光学相控阵尺寸和填充率,但减小周期并不能完全抑制栅瓣,而高斯光束取代平行光束入射仅影响偏转光束的角宽度,所研究的三种多光束扫描方法均有效,三种方法各有优缺点。     

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。     

介质膜集成衬底垂直外腔面发射激光器

垂直外腔面发射激光器(VECSEL)可以实现大功率的高光束质量输出.针对外腔制作工艺复杂、腔体结构松散的缺点,研制了一种介质膜集成衬底表面外腔底面发射激光器.将衬底表面生长的多层介质绝缘薄膜与N-DBR、P-DBR共同构成复合腔结构,衬底充当外腔.该结构能够抑制高阶模式,进而优化输出光谱及远场发散角等光束特性.在已有的理论指导下,制作了有源区直径为200 μm、外腔腔长250 μm的VECSEL.室温下,向器件连续直流注入3.4A,测试得到输出功率为260 mW,远场发散角的半角宽度为3.8°,光谱半高全宽为0.046 nm.与常规结构底面发射VCSEL进行比较,发现VECSEL器件的光束质量得到了明显改善,实验结果与理论仿真结果有较好的一致性.     

延迟光反馈VCSEL的混沌动力学特性

根据延迟光反馈垂直腔面发射半导体激光器动力学模型,数值模拟了激光器的混沌动力学特性,分析了外腔长度和光反馈强度对激光器混沌动力学特性的影响.结果表明:外腔较短的激光器,经过混沌区后仍会回到锁频状态;外腔较长的激光器,经过混沌区后不是进入锁频状态而是回到周期1.取定激光器外腔长度为3.0 cm,使反馈强度由小增大,得到激...     

液晶光学相控阵可编程光束偏转研究

研究了一种一维透射式向列相液晶光学相控阵.建立了器件的数学模型,根据Frank-Oseen液晶连续体弹性形变理论计算了电场作用下液晶指向矢分布,定量分析了器件的相位延迟及衍射特性.研制了含1 024个驱动电极的实际器件,由FPGA对电极驱动电压进行可编程控制.经实验测试,该器件可以实现60个角度的准连续随机可编程电控偏转与扫描,最大偏转角度为2.001 4°.根据器件的理论模型,对光束偏转的衍射效率进行了定性讨论,发现电极之间形成的“相位凹陷”是形成衍射旁瓣的直接原因.     

半导体垂直腔面发射激光器的微腔效应

应用腔量子电动力学和半导体物理学讨论了半导体垂直腔面发射激光器的微腔效应,得到了实际腔结构和注入载流子下的半导体生趣腔面发射激光器的自发发射谱,计算结果表明,半导体分布布拉格反射垂直腔激光器的单方向自发发射可以境强约２００倍。     

宽范围可调谐内腔液晶垂直腔面发射激光器设计与研究

为增加可调谐激光器的波长调谐范围,提高系统的可靠性和稳定性,基于液晶的电控双折射特性,设计了一种中心波长为852 nm的内腔液晶可调谐垂直腔面发射激光器结构。分析了该结构获得宽范围波长调谐和单偏振稳定输出的物理原理,利用传输矩阵法进一步计算整个器件下不同液晶层厚度所对应的反射谱,得出不同液晶厚度和折射率下激光器的激射波长。结果表明,液晶可调谐激光器单偏振波长调谐范围达到31 nm,调谐效率大于10 nm/V。     

Phased Array Beam Fields of Nonlinear Rayleigh Surface Waves

This study concerns calculation of phased array beam fields of the nonlinear Rayleigh surface waves based on the integral solutions for a nonparaxial wave equation.Since the parabolic approximation model for describing the nonlinear Rayleigh waves has certain limitations in modeling the sound beam fields of phased arrays,a more general model equation and integral forms of quasilinear solutions are introduced.Some features of steered and focused beam Gelds radiated from a linear phased array of the second harmonic Rayleigh wave are presented.