Vertical cavity surface emitting laser transverse mode and polarization control by elliptical hole 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.     

Simplified modeling of frequency behavior in photonic crystal vertical cavity surface emitting laser with tunnel injection quantum dot in active region

In this work, the characteristics of the photonic crystal tunneling injection quantum dot vertical cavity surface emitting lasers(Ph C-TIQD-VCSEL) are studied through analyzing a modified modulation transfer function. The function is based on the rate equations describing the carrier dynamics at different energy levels of dot and injector well. Although the frequency modulation response component associated with carrier dynamics in wetting layer(WL) and at excited state(ES) levels of dots limits the total bandwidth in conventional QD-VCSEL, our study shows that it can be compensated for by electron tunneling from the injector well into the dot in TIQD structure. Carrier back tunneling time is one of the most important parameters, and by increment of that, the bias current dependence of the total bandwidth will be insignificant. It is proved that at high bias current, the limitation of the WL-ES level plays an important role in reducing the total bandwidth and results in rollovers on 3-d B bandwidth-I curves. In such a way, for smaller air hole diameter of photonic crystal, the effect of this reduction is stronger.     

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.     

表面液晶-垂直腔面发射激光器阵列的热特性

液晶与垂直腔面发射半导体激光器(VCSELs)阵列结合可实现波长可调谐、偏振精确控制等,同时液晶的引入也会改变垂直腔面发射半导体激光器阵列的热特性,本文设计了表面液晶-垂直腔面发射激光器阵列结构,并开展了阵列的热特性实验研究.对比分析了向列相液晶层对VCSEL阵列热特性的影响,实验结果表明,1×1,2×2,3×3三种表面液晶-VCSEL阵列的阈值电流温度变化率最高可降低23.6%,热阻降低26.75%;同时,激光器阵列各发光单元之间的温度均匀性显著提高,出光孔与周围温差小于0.5℃.综上所述,VCSEL阵列中液晶层的引入不仅大大加速激光器阵列单元热量扩散,而且降低了有源区结温,提高了VCSELs激光器阵列热特性,为实现高光束质量的单偏振波长可控VCSEL激光器阵列打下了良好的理论和实验基础.     

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。     

蓝紫光氮化镓光子晶体面射型激光器

设计、制作了蓝紫光氮化镓光子晶体面射型激光器结构,并测量其光学性质,探讨了光子晶体的晶格常数、边界形状及晶格种类对激光器特性的影响。激光器结构采用有机金属化学气相沉积法配合电子束光刻及感应耦合等离子体干蚀刻等技术制作。由角度解析光致发光系统测得绕射图案、激光发射光谱及发散角等光学性质。同时,使用平面波展开法及多重散射法计算光子晶体的能带结构与阈值增益。由实验结果得出,可由改变光子晶体的晶格常数达到调变激光器操作模态的目的。此外,光子晶体的边界形状对激光器波长及半高宽并无显著的影响,但圆形边界的阈值激发能量密度比六角形边界低0.3 mJ/cm²。另一方面,将六角晶格、四角晶格与蜂巢晶格的晶格种类进行比较,蜂巢晶格具有较小的激发能量密度（1.6 mJ/cm²）及发散角（1.3°）,而四角晶格的激发能量密度（3.8 mJ/cm²）及发散角（2.2°）为三者之中最大。多重散射法求得的阈值增益与实验结果相吻合,可视为快速有效设计光子晶体激光器结构的工具。本文研究成果对今后发展高功率蓝紫光氮化镓光子晶体面射型激光器具有指导意义。     

多横模垂直腔面发射激光器及其波长特性

基于氧化限制型内腔接触垂直腔面发射激光器(VCSEL) 结构设计, 研究了VCSEL的多横模分布及其模式波长分裂特性与氧化孔径尺寸、形状的关系. 在实验基础上, 通过建立有效折射率模型, 并利用标量亥姆霍兹方程的迭代算法理论, 分别对椭圆形氧化孔径和圆形氧化孔径VCSEL的横向模式特性进行模拟研究, 计算得到不同形状孔径的多横模光场分布情况, 同时测量得到高阶横模多频输出光谱. 研究发现, 椭圆氧化孔形状不仅影响横模分布特性, 还会导致每个模式的波长产生分裂, 分裂值可达0.037 nm. 同时, 随着氧化孔径的增大, 波长分裂影响会逐渐减小, 直至趋近于圆形氧化孔径的分布特性. 研究结果为进一步实现氧化限制型VCSEL的多横模锁定提供了有益参考和借鉴.     

Single fundamental mode photonic crystal VCSEL with high power and low threshold current optimized by modal loss analysis

The characteristics of the photonic crystal vertical cavity surface emitting lasers(PhC-VCSELs) were investigated by using the full vector finite-difference time-domain(FDTD) method through the transverse mode loss analysis. PhC-VCSELs with different photonic crystal structures were analyzed theoretically and experimentally. Through combining the dual mode confinement of oxide aperture and seven-point-defect photonic crystal structure, the PhC-VCSELs with low threshold current of 0.9 mA and maximum output power of 3.1 mW operating in single fundamental mode were demonstrated. Mode loss analysis method was proven as a reliable and useful way to analyze and optimize the PhC-VCSELs.     

外部光注入的光泵浦自旋垂直腔表面发射激光器中的两个混沌偏振分量对两个复杂形状目标中的多区域精确测距

基于外部光注入的光泵浦自旋垂直腔表面发射激光器(vertical cavity surface-emitting laser,VCSEL)的两个混沌偏振分量,提出了对两个复杂形状目标中的多区域精确测距方案.这里,两个混沌偏振探测波具有飞秒量级快速动态并且被双极性sinc波形调制,使它们具有时空不相关特性.利用这些特性,...     

光子晶体微腔中高偏振单偶极模的研究

三角晶格排列的光子晶体微腔中的偶极模式是简并的,通过改变其晶格的对称性可以消除模式简并.晶格的整体形变破坏了晶格对称性从而影响光场的分布,同时还改变了电磁场的偏振分布.晶格整体形变使得简并的偶极模式分离成x极和y极偶极模式.通过计算分析发现分离后的模式具有良好的偏振特性,从而为实现单偏振光子晶体激光器提供了一种很好的途径.文中针对光子晶体薄板结构的微腔,主要计算了偶极模中x极偶极模式在不同拉伸时以及不同填充因子情况下的Q值,并分别计算了x关键词： 光子晶体 偶极模 品质因子 偏振度     

基于单向注入垂直腔面发射激光器系统的密钥分发

随机源对于信息理论安全的密钥分发至关重要,本文提出了一种基于单向注入垂直腔面发射激光器系统的密钥分发方案.首先基于单向注入的方式产生无时延特征的激光混沌信号,并通过单向注入驱动两个从激光器产生带宽增强的混沌同步信号.然后经过采样、量化以及异或等后处理,生成密钥流.数值仿真结果表明,在单阈值情况下,合法用户之间的误比特率低至1%左右,合法用户与窃听者之间的误比特率都高于10%;在双阈值情况下,误比特率可以低至10^-6.最后,对生成的密钥流进行了NIST随机性测试.该方案有效地增强了密钥分发的安全性.     

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     

Room temperature continuous wave low threshold current 850 nm ion implanted vertical cavity surface emitting laser using tungsten wires as mask

Vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) emitting at 850 nm plays more important role in local fiber communication. Most of the VCSEL products emitting at 850 nm are fabricated by ion implanting. Their threshold current is about 4–6 mA. Using tungsten wires as mask, we developed the parameter of implantation and fabricated 850 nm VCSEL under room temperature CW (continuous wave) operation. The threshold current was 1.4 mA, which was lower than that of most similar devices reported before. The resistance of the device was 206 Ω. The light power was 0.92 mW at 6.74 mA under room temperature CW operation, while the light power did not achieve obvious saturation. The most remarkable advantage was that the fabrication method was simple and the optimization was available to implanting parameter.     

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.     

高速调制响应垂直腔面发射激光器中的微腔效应

应用微腔物理和量子阱物理，计算了量子阱垂直腔面发射激光器的自发发射谱和自发发射寿命，通过对半导体激光器传输函数的研究，发现缩短自发发射寿命是垂直腔面发射激光器实现高速调制响应的主要原因.     

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.     

Continuous‐wave vertically emitting photonic crystal terahertz laser

Compact semiconductor light sources with high performance continuous‐wave (CW) and single mode operation are highly demanded for many applications in the terahertz (THz) frequency range. Distributed feedback (DFB) and photonic crystal (PhC) quantum cascade (QC) lasers are amongst the leading candidates in this field. Absorbing boundary condition is a commonly used method to control the optical performance of a laser in double‐metal confinement. However, this approach increases the total loss in the device and results in a large threshold current density, limiting the CW maximum output power and operating temperature. In this letter, a robust surface emitting continuous‐wave terahertz QC laser is realized in a two‐dimensional PhC structure by a second order Bragg grating extractor that simultaneously provides the boundary condition necessary for mode selection. This results in a 3.12 THz single mode CW operation with a 3 mW output power and a maximum operation temperature (T_max) of 100 K. Also, a highly collimated far‐field pattern is demonstrated, which is an important step towards real world applications.     

基于非线性偏振旋转锁模的高功率光子晶体光纤飞秒激光振荡器

为了探索大模场面积光子晶体光纤锁模激光器在全正色散锁模域内的耗散孤子锁模机理, 以获得更大的单脉冲能量和更高的峰值功率, 本文搭建了以掺镱大模场面积光子晶体光纤作为增益介质的耗散孤子锁模激光器. 激光器使用环形腔结构, 利用非线性偏振旋转以及滤光片提供的耗散作用实现了稳定的锁模运转. 实验中, 从激光器振荡级直接获得了平均功率10 W, 重复频率49.09 MHz(对应202 nJ的单脉冲能量), 脉冲宽度为1.03 ps的稳定锁模脉冲输出, 经过腔外色散补偿得到的脉冲宽度为95.5 fs.     

大模场面积光子晶体光纤耗散孤子锁模激光器

研制了一种基于掺Yb3+的双包层大模场面积偏振光子晶体光纤的耗散孤子锁模激光器.利用数值模拟分析了光纤激光器中耗散孤子动力学过程,与全正色散锁模激光器相比,脉冲窄化机理更加丰富,半导体可饱和吸收镜(SESAM)的非线性吸收,啁啾脉冲的光谱滤波以及光纤的增益色散同时起作用,这些因素使耗散孤子锁模更加容易实现,并且稳定运行.其中,光谱滤波的耗散过程是稳定锁模机制的主导因素,滤波片能够在频域和时域同时窄化脉冲,并且去除脉冲啁啾,限制脉冲在腔内始终小于1ps.在实验上实现了无色散补偿腔中直接输出脉冲宽度777fs,最高平均功率达到1W,重复频率48·27MHz,对应单脉冲能量20nJ的飞秒激光.     

高功率垂直外腔面发射半导体激光器增益设计及制备

垂直外腔面发射半导体激光器(vertical external cavity surface emitting laser, VECSEL)兼具高功率与良好的光束质量,是半导体激光器领域的持续研究热点之一.本文开展了光抽运VECSEL最核心的多量子阱增益区设计,对量子阱增益光谱及其峰值增益与载流子浓度及温度等关系进行系统的理论优化,并对5种不同势垒构型的量子阱增益特性进行对比,证实采用双侧GaAsP应变补偿的发光区具有更理想的增益特性.对MOCVD生长的VECSEL进行器件制备,实现了VECSEL在抽运功率为35 W时输出功率达到9.82 W,并且功率曲线仍然没有饱和;通过变化外腔镜的反射率, VECSEL的激光波长随抽运功率的漂移系数由0.216 nm/W降低至0.16 nm/W,证实外腔镜反射率会影响VECSEL增益芯片内部热效应,从而影响VECSEL激光输出功率.所制备VECSEL在两正交方向上的发散角分别为9.2°和9.0°,激光光斑呈现良好的圆形对称性.