极小孔半导体激光器近场区光场分布研究

利用时域有限差分法(FDTD)计算和分析了极小孔半导体激光器输出光端面附近的光场分布,指出小孔激光器近场区域光场分布的特点,讨论了小孔大小和金属厚度对光场分布和光源分辨率的影响,得到设计和制备极小孔半导体激光器的优化方法.     

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...     

基于开槽型DBR光纤激光器拍频的折射率探测

提出一种包层开槽型分布布拉格反射光纤激光器,用于光纤激光折射率探测.该激光器以单纵模双偏振分布布拉格反射光纤激光器为核心传感单元,以结构双折射产生的拍频信号为传感信号对折射率进行探测.实验中应用频率编码,灵敏度高且易于解调.利用二氧化碳激光器的热效应对分布布拉格反射光纤激光器的谐振腔加工开槽,通过控制其扫描范围和功率来制备不同宽度和深度的开槽结构,并研究了不同结构参量对灵敏度特性的影响.实验测得最优灵敏度达-240 MHz/RI-unit.此外,还对该结构的温度传感特性做了测试,相较于未刻槽结构,温度灵敏度提高了21%,达1.73 MHz/℃.该装置结构紧凑、稳定性高、制备简单且成本低廉,可用于进一步研究分布布拉格反射光纤激光器的传感和复用特性.     

2μm GaSb基低垂直发散角布拉格反射波导激光器优化设计

为实现2 μm低发散角激光,提出在GaSb基半导体激光器中引入布拉格反射波导,利用光子带隙效应替代传统的全反射进行光场限制。研究了分布反馈反射镜(DBR)的厚度、对数、高低折射率DBR厚度比以及中心腔厚度等参数对激光器垂直远场发散角和光限制因子的影响。结果表明:垂直远场发散角随单对DBR厚度的增加而减小;光限制因子与远场发散角都随拉格反射镜对数的增加而减小,随高低折射率DBR厚度比的减小而增大;随着中心层厚度的增大,光限制因子减小而远场发散角增大。最终在理论上优化设计出了一种双边布拉格反射波导结构的超低垂直发散角2 μm GaSb基边发射半导体激光器,其垂直远场发散角可降低到10°以下。     

体布拉格光栅外腔红光半导体激光器实验研究

采用反射型体布拉格光栅作为反馈元件构成红光外腔半导体激光器,对器件输出光特性进行了实验研究。重点研究了体布拉格光栅的位置对红光外腔半导体激光器远场特性的影响。实验结果表明,减小体布拉格光栅与激光器芯片之间的距离可提高激光器的锁模效果,窄化光谱,并且改善慢轴方向的光束发散角。使用衍射效率为20%的体布拉格光栅,可将半导体激光器的输出波长稳定锁定在634 nm附近,光谱线宽压缩至0.7 nm左右,输出功率可达1.06 W。     

n型DBR中电势对垂直腔面发射激光器阈值的影响

编制了增益波导垂直腔面发射激光器直接耦合准三维仿真软件，给出了电势、 载流子浓度、光场和热场分布.计算结果表明，只有同时考虑p型和n型分布布拉格反射镜中的电势，才能准确地反映垂直腔面发射激光器的阈值特性. 关键词： 垂直腔面发射激光器 p型DBR层 n型DBR层 有限差分法     

大功率半导体激光器远场光分布特性

对于以TM模工作的大功率半导体激光器,基于偏轴高斯光束模型,推导了描述其光波传播特性的非傍轴矢量场模型,数值计算了大功率半导体激光器光束的远场光强分布和发散角特性,讨论了bar型半导体激光器的远场光分布特性,给出了bar型半导体激光器的远场光强分布模型及数值仿真结果.仿真结果表明,大功率半导体激光器的矢量光场和标量光场...     

利用SBR实现自启动锁模钛宝石飞秒激光脉冲的产生

利用国内生长的低损耗双量子阱结构的可饱和布拉格反射器在掺钛蓝宝石激光器中实现了可饱和吸收体被动锁模、孤子锁模和KLM锁模状态的自启动稳定运转.当抽运功率为4.5W时，用啁啾镜进行色散补偿，获得了18fs的KLM锁模脉冲，输出功率为150mW. 关键词： 可饱和布拉格反射器 啁啾镜 飞秒 钛宝石激光器     

铷蒸气激光器3D理论模型的建立及阈值特性模拟

基于三能级速率方程理论,结合惠更斯-菲涅尔衍射积分公式,利用分步光束传播方法建立了半导体泵浦碱金属蒸气激光器(DPAL)端面泵浦3D理论计算模型,用于模拟研究铷蒸气激光器的泵浦阈值特性。该模型将光束传播、光与物质相互作用独立考虑,利用迭代算法求解。考虑激光器腔内模式与泵浦光模式匹配对阈值特性的影响,模拟了单端泵浦铷蒸气激光器内部的三维动力学过程。在具体算例中研究了模式匹配最佳时,在阈值工作状态下铷蒸气室中的三维粒子数分布,以及沿不同轴线的增益分布。仿真了在最佳模式匹配位置附近,泵浦光模式变化对阈值特性的影响。根据蒸气池中粒子数分布和光场分布具体分析了模式匹配影响阈值特性的机理。同时还模拟了不同长度蒸气池对阈值特性的影响。结果表明,腔参数与泵浦光模式之间存在一定的关系,对于特定的泵浦光模式,存在恰当的腔参数,使得阈值达到最小。     

铷蒸气激光器3D理论模型的建立及阈值特性模拟

基于三能级速率方程理论,结合惠更斯-菲涅尔衍射积分公式,利用分步光束传播方法建立了半导体泵浦碱金属蒸气激光器(DPAL)端面泵浦3D理论计算模型,用于模拟研究铷蒸气激光器的泵浦阈值特性。该模型将光束传播、光与物质相互作用独立考虑,利用迭代算法求解。考虑激光器腔内模式与泵浦光模式匹配对阈值特性的影响,模拟了单端泵浦铷蒸气激光器内部的三维动力学过程。在具体算例中研究了模式匹配最佳时,在阈值工作状态下铷蒸气室中的三维粒子数分布,以及沿不同轴线的增益分布。仿真了在最佳模式匹配位置附近,泵浦光模式变化对阈值特性的影响。根据蒸气池中粒子数分布和光场分布具体分析了模式匹配影响阈值特性的机理。同时还模拟了不同长度蒸气池对阈值特性的影响。结果表明,腔参数与泵浦光模式之间存在一定的关系,对于特定的泵浦光模式,存在恰当的腔参数,使得阈值达到最小。     

吸收对垂直腔面发射激光器光学特性的影响

采用光学传输矩阵方法，详细分析了反射镜以及键合界面的吸收对垂直腔面发射激光器光学特性的影响. 结果表明，反射镜以及键合界面的吸收对反射镜和垂直腔面发射激光器的反射率和势透射率有较大影响，而对反射镜中心波长处的反射相移以及垂直腔面发射激光器模式的反射相移和模式位置影响很小. 随着反射镜以及键合界面的吸收增大，反射镜中心波长处的反射率逐渐减小，垂直腔面发射激光器的模式反射率变化则是先急剧减小，达到一个极小值，然后再逐渐增大，而反射镜中心波长处以及垂直腔面发射激光器模式处的势透射率则都是迅速降低的. 此外，将有吸收的键合界面离有源区的距离远一些，有利于提高垂直腔面发射激光器模式处的光输出效率.     

High power single mode VCSEL operation with photo-active current channeling

Proposed on-axis current channeling through the use of photoactive layer(s) in vertical-cavity surface emitting laser (VCSEL) cavities counteracts hole burning and allows single mode operation at high currents. The photoactive layers act as variable resistivity screens whose radial 'aperture' is controlled by the light itself, providing an efficient feedback for mode control. Absorption of a small fraction of the light intensity suffices for significant on-axis current peaking with minimum efficiency loss and optical mode distortion. Fabrication is implemented during the molecular beam epitaxy phase without wafer post-processing, as for oxide apertures.     

Improvement in Light Output of Thin-Film Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers Transferred onto A1N Substrates

Thin-film 850-nm vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) were improved in light output power by designing both the reflectivity of the distributed Bragg reflector on the light-emitting side and also the degree of de-tuning between the photoluminescence peak and the etalon wavelength. Thin-film VCSELs, which were fabricated on A1N substrates by a functional layer transfer technique, are attractive components for the hybrid integration of optoelectronic devices. Their maximum output power was 2.8 mW and their slope efficiency was 0.40 W/A for the 15μm diameter VCSEL devices that we studied. Uniform spontaneous emission over the entire mesa area, and a single transverse laser mode up to 1.3 times the threshold current were confirmed by observing the near-field images.     

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.     

厚度偏差对VCSEL的反射谱和反射相移的影响

采用光学传输矩阵方法分析了厚度偏差对VCSEL的反射谱和反射相移产生的影响。结果表明,反射镜和VCSEL中各层厚度的偏大,将使反射镜的中心波长以及VCSEL的模式波长向长波方向移动,而反射镜和VCSEL中各层厚度的偏小,将使反射镜的中心波长以及VCSEL的模式波长向短波方向移动。将键合界面离有源区稍微远一些,有利于减小其厚度偏差对VCSEL的模式波长的影响。     

Modelling of diffraction in pillar vertical cavity surface-emitting lasers with embedded Bragg layers

An analytical expression for the reflectivity between the active cavity of a circular symmetric pillar vertical cavity surface-emitting laser (VCSEL) and Bragg mirror, which takes account of diffraction at the interface, is derived. The method (mode-matching in Hankel space) is also used to determine the reflectivity with some of the Bragg layers embedded in the cavity region. The dependence of reflectivity upon various parameters, including number of Bragg pairs, cavity radius and mode number, is discussed. The validity of using the plane wave reflectivity value (which ignores diffraction effects) is seen to depend significantly upon these parameters. As an indicator of the importance of taking these effects into account for pillar diameters of 6 m and less, the variation of threshold gain with cavity radius is given for a commonly used type of VCSEL structure.     

主副垂直腔面发射激光器动力学系统混沌输出的时延特征及带宽分析

基于垂直腔面发射激光器(VCSEL)的自旋反转模型, 数值研究了由一个光反馈VCSEL (定义为主VCSEL, M-VCSEL)输出的混沌光单向注入到另一个VCSEL (定义为副VCSLE, S-VCSEL)所构成的主副VCSELs系统的混沌动力学特性, 分析了注入强度、M-VCSEL与S-VCSEL之间的频率失谐以及M-VCSEL所受到的光反馈强度对系统混沌输出时延特征(包括强度时延特征(I-TDS) 和相位时延特征(P-TDS))以及输出带宽(BW)的影响. 结果显示: 通过调节注入强度和频率失谐, 该系统混沌输出的两个偏振分量(X-PC和Y-PC)的P-TDS和I-TDS可以同时得到抑制; 进一步分析注入强度和频率失谐对混沌BW的影响, 发现在较大负频率失谐区域, 系统可输出BW超过30 GHz 的X-PC和Y-PC混沌信号; 结合系统混沌输出信号的TDS与BW在注入强度和频率失谐参量空间下的演化特性, 可确定宽带宽、低时延特征混沌信号输出的参量空间区域. 此外, 通过合理调节M-VCSEL 所受到的光反馈强度, 可以显著优化系统的混沌输出信号质量.     

一种具有低折射率的高对比度光栅反射镜的设计

设计并研究了一种工作于2 μm波段的GaSb基亚波长高对比度光栅反射镜,其具有低折射率光栅层结构。通过严格耦合波理论优化结构,以最大限度地满足VCSEL腔面反射镜对反射率带宽的要求。反射镜对2 μm波段的TM模式具有优良的反射效率,带宽与设计波长之比达15%（反射率R>99%）,在反射率R>99.9%的部分Δλ/λ₀>9.5%,带宽中心波长为2.003 μm,与此同时TE模的反射率不超过70.20%。该反射镜结构中几个参数的制作容差较大,且厚度低于1.1 μm,有利于在垂直腔面发射半导体激光器上的单片集成。     

基于亚波长光栅的VCSEL偏振控制研究

为了确定亚波长光栅在微电机械系统(MEMS)波长可调谐VCSEL不同位置(上DBR上表面、上DBR下表面以及内腔)中实现TE和TM偏振控制的光栅参数范围以及光栅在哪个位置时实现偏振控制最稳定,通过MATLAB建立MEMS波长可调VCSEL的模型,然后计算光栅在3种位置时上反射镜(包括空气隙和光栅)随光栅参数变化的反射率,以此来确定它们实现TE/TM稳定偏振的光栅参数范围(即高反射范围内的参数)。将各自的高反射所对应反射率减去相同光栅参数范围内TM/TE低反射对应的反射率,通过反射率差值确定光栅在哪种位置时MEMS波长可调谐VCSEL实现偏振是最稳定的。最后得出的结论是光栅在上DBR下表面几乎无法控制TM偏振,而将光栅放置于内腔中,无论是在TE偏振控制上还是TM偏振上都是最稳定的。在实现TE偏振稳定的参数范围内,TE的阈值增益比TM最小少10 cm~(-1);而在实现TM偏振稳定时,在TE偏振稳定的参数范围内,TE的阈值增益比TM最小少5 cm~(-1)。     

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.