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     

光子晶体垂直腔面发射激光器的电流分布研究

对氧化限制型外腔式光子晶体垂直腔面发射激光器注入到有源区的电流密度分布进行了分析研究.提出三维电流分布计算模型,研究了光子晶体结构对电流密度分布和器件串联电阻的影响.研究发现,光子晶体孔刻蚀深度越深,电流分布圆对称性越差,引起的串联电阻越大.不同光子晶体图案对电流分布的均匀性和圆对称性也有很大的影响.该模型对于研究、设计氧化限制型外腔式光子晶体垂直腔面发射激光器提供了一个有用的分析方法.     

质子注入能量对垂直腔面发射激光器的阈值和功率的影响

文章研究了如何兼顾质子注入型垂直腔面发射激光器的功率和阈值性能.从模拟和实验两方面分析了质子注入能量与器件功率和阈值特性的关系.发现注入能量过高时,损伤有源区,降低了功率性能.而能量过低则会减弱对注入电流的限制,增加阈值.计算和实验结果表明,对于文中的器件结构,315 keV的注入能量是合适的.在10μm的注入孔径下获得器件的阈值为4.3 mA,功率为1.7 mW.     

理论研究电流注入对垂直腔面发射激光器多横模行为的影响

从包含时空变量的速率方程出发,针对弱折射率导引垂直腔面发射激光器(VCSELs),利用空间积分法分析了典型电注入参数对VCSELs多横模行为的影响,在不降低模型准确性的前提下提高了仿真效率。仿真结果表明,注入盘孔径和注入环越小、注入强度越低以及电流扩散越弱时,VCSELs更易实现单横模工作;反之,VCSELs高阶横模开始出现并呈现较强的模式竞争,引发了载流子空间烧孔效应,并导致基模强度降低。进一步得出,在环形注入方式下,高阶模式更容易出现且彼此间的竞争较盘形注入时强。     

垂直腔面发射激光器中顶层相位对模式特性的影响

研究了垂直腔面发射激光器中不同的顶层厚度对激光器模式特性的影响。结果表明空气界面反射与分布布拉格反射器（ＤＢＲ）的反射率反相时,将导致阈值增益增加几倍,而且模式光场强度在出射端面有反常的增强,但对光场进入分布布拉格反射器的等效厚度影响不大。精确腐蚀顶层厚度可供替调节分布布拉格反射器周期数,以改善器件特性。     

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。     

基于光注入下电流调制1550nm垂直腔面发射激光器获取宽带光学频率梳

数值研究了一种获取宽带光学频率梳的方案。在该方案中,首先采用调制频率f_m=f_0/n(f_0为1 550nm垂直腔面发射激光器中两正交偏振分量频率间隔,n为整数)的大调制信号电流调制一个1 550nm垂直腔面发射激光器,使该1 550nm垂直腔面发射激光器中的主振荡模式—Y偏振分量输出光学频率梳,而X偏振分量处于被抑制状态;进一步地,引入线偏振光注入,使激光器中两个偏振分量(光谱主峰比小于15dB)均实现光学频率梳输出;再借助一个偏振片,将这两个偏振分量引导到该偏振片的透振方向实现光谱拼接,从而获取宽带光学频率梳。基于自旋反转模型,数值研究了由该方案产生的光学频率梳特性。仿真结果表明:在给定的参数条件下,一个自由运行1 550nm垂直腔面发射激光器(阈值电流为2.6mA)偏置在11.5mA时,Y偏振分量占主导而X偏振分量被抑制(光谱主峰比大于30dB);在受到调制深度较大的电流调制作用下,该激光器只在Y偏振分量输出光学频率梳;引入线性偏振光注入后,通过调整线性偏振光的偏振方向,可使X、Y偏振分量同时实现光学频率梳输出;最后,利用一偏振片将X、Y偏振分量引导到该偏振片的透振方向实现光谱拼接,最终可获得一个带宽超过80GHz的光学频率梳。     

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。     

互注入垂直腔表面发射激光器的多次偏振转换特性研究

基于垂直腔表面发射激光器(VCSELs)的自旋反转模型, 研究了互注入VCSELs系统中参数连续变化所引起的多次偏振转换(PS)特性. 研究结果表明: 连续改变互注入强度ξ、两个互注入VCSELs中一个激光器的激射频率以及同时连续改变两个激光器的激射频率, 均可产生多次的PS. 详细分析了上述三种参数连续变化所引起的多次PS的特性, 并讨论了耦合延时时间对多次PS特性的影响.     

用于全光波长转换的外腔半导体激光器的注入电流选择

实验研究了注入光对光纤光栅外腔半导体激光器阈值电流的影响,给出了可同时获得高消光比和高转换速率的注入电流范围。采用载流子消耗机抽对实验结果进行了实性分析。     

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.     

光注入和光电反馈联合作用下垂直腔表面 发射激光器的动力学特性研究

基于自旋反转模型, 研究了垂直腔表面发射激光器(VCSEL) 在光注入和光电反馈共同作用下的动力学特性. 研究结果表明: 一个受到主VCSEL光注入的副VCSEL, 在同时存在光电正反馈时, 其输出的两个线偏振模式(X和Y偏振模) 可呈现周期、 倍周期、 多周期、 混沌等丰富的动力学状态, 且两偏振模动力学态的演化路径存在差异. 各动力学状态在由反馈强度f与注入强度η 所构成的参数空间的分布区域随着主、 副VCSEL 的频率失谐Δν(Δν=ν_m-ν_s, ν_m, ν_s 分别为主、 副VCSEL自由运行时的振荡频率) 的变化而发生改变. 当Δν为正失谐时, 呈现混沌的区域相比零失谐和负失谐时有明显的扩展, 即副VCSEL能在更大的参数范围内实现混沌输出. 对于特定的频率失谐, 分析了光电正反馈强度f和光注入强度η对混沌输出带宽的影响. 通过合理选择反馈强度以及注入强度, 可使副VCSEL混沌输出带宽显著增加.     

Research of the use of silver nanowires as a current spreading layer on vertical-cavity surface-emitting lasers

Silver nanowire(AgNW) film was proposed to apply on the surface of the vertical-cavity surface-emitting lasers(VCSELs) with large aperture in order to obtain a uniform current distribution in the active region and a better optical beam quality.Optimization of the AgNW film was carried out with the sheet resistance of 28.4 Ω/sq and the optical transmission of 94.8% at 850 nm.The performance of VCSELs with and without AgNW film was studied.When the AgNW film was applied to the surface of VCSELs,due to its better current spreading effect,the maximum output optical power increased from 23.4 mW to 24.4 mW,the lasing wavelength redshift decreased from 0.085 nm/mA to 0.077 nm/mA,the differential resistance decreased from 23.95 Ω to 21.13 Ω,and the far field pattern at 50 mA decreased from 21.6° to 19.2°.At the same time,the near field test results showed that the light in the aperture was more uniform,and the far field exhibited a better single peak characteristic.Various results showed that VCSELs with AgNW on the surface showed better beam quality.     

Polarization switching and synchronization of mutually coupled vertical-cavity surface-emitting semiconductor lasers

Polarization switching (PS) dynamics and synchronization performances of two mutually coupled vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) are studied theoretically in this paper. A group of dimensionless rate equations is derived to describe our model. While analysing the PS characteristics, we focus on the effects of coupling rate and frequency detuning regarding different mutual injection types. The results indicate that the x-mode injection defers the occurrence of PS, while the y-mode injection leads the PS to occur at a lower current. Strong enough polarization-selective injection can suppress the PS. Moreover, if frequency detuning is considered, the effects of polarization-selective mutual injection will be weakened. To evaluate the synchronization performance, the correlation coefficients and output dynamics of VCSELs with both pure mode and mixed mode polarizations are given. It is found that performance of complete synchronization is sensitive to the frequency mismatch but it is little affected by mixed mode polarizations, which is opposite to the case of injection-locking synchronization.     

基于双光注入锁定1550 nm垂直腔表面发射半导体激光器产生可调谐毫米波

基于自旋反转模型, 对双光注入下1550 nm 垂直腔表面发射半导体激光器(1550 nm-VCSEL)的非线性动力学行为进行了理论分析和数值仿真研究. 结果表明: 当一个中心波长位于1550 nm 的副VCSEL(S-VCSEL)同时受到来自两个主VCSELs (M-VCSELs)的光注入时, 在适当的注入条件下, S-VCSEL可处于双光注入锁定态. 此时, S-VCSEL中的两偏振模式均呈现频率为两注入光频率之差的周期性振荡, 输出的光谱仅包含两个主频率部分, 即光谱具有单边带特征. 因此, 基于双光注入下S-VCSEL的周期性振荡可以获得两个相互正交的光毫米波. 通过调节两个M-VCSELs之间的频率差异可使毫米波频率在较大范围内连续可调, 通过调节系统参量可以控制毫米波功率以及调制深度. 关键词： 垂直腔表面发射激光器 双光注入 毫米波 调制深度     

1.3μm GaAs基量子点垂直腔面发射激光器结构设计与分析

结合垂直腔面发射激光器（VCSEL）原理以及量子点增益特点，计算了不同结构VCSEL的腔内损耗和量子点的模式增益.分析了激光器阈值特性以及氧化限制层对光损耗的影响.设计了含 氧化限制层的13μm量子点VCSEL结构. 关键词： 量子点 垂直腔面发射激光器 增益     

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     

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 oxidationconfined 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.     

光子晶体垂直腔面发射850nm波长激光器研究

文章报道了国内首次研制成功的光子晶体垂直腔面发射850nm波长激光器，实现了连续电注入激射．发现器件能否激射直接依赖于光子晶体结构参数，而激光器的阈值、输出功率、输出模式等与光子晶体的晶格常数、占空比、腔的大小等因素有关．     

基于椭圆偏振光注入垂直腔表面发射激光器的正交偏振模式单周期振荡产生两路光子微波

提出了基于椭圆偏振光注入下垂直腔表面发射激光器(VCSEL)输出的正交偏振模式单周期(P1)振荡来同时获取两路光子微波的实现方案, 并进行了相关仿真研究. 结果表明: 在合适的参数条件下, 一个自由运行的VCSEL(定义为主VCSEL, M-VCSEL)可输出椭圆偏振光, 其X偏振分量和Y 偏振分量具有相同的激射频率; 将M-VCSEL输出的椭圆偏振光注入到另外一个VCSEL(定义为副VCSEL, S-VCSEL), 在给定主副VCSEL间频率失谐的条件下, 通过选择合适的注入强度可使S-VCSEL 中两个偏振分量均呈现单周期(P1)振荡, 从而可获得两正交的光子微波信号; 随着注入强度的增加, 光子微波的频率以及功率均呈现增加的趋势; 结合微波频率、功率以及输出光谱中第一边带和第二边带的幅度差在由注入强度和频率失谐所构成参数空间下的分布图, 可确定获取高品质微波信号的优化注入参数范围.