高功率垂直腔面发射激光器的偏振控制

论文摘要

垂直腔面发射激光器在光互连、光信号处理、泵浦固体激光器、光线耦合输出等方面越来越吸引着人们的注意，主要是因为垂直腔面发射激光器有着比边发射激光器更为优越的性能包括：非常低的阈值电流、单模输出、圆形光斑、非常方便的二位面阵集成等。尤其是高功率垂直腔面发射激光器在最近几年也取得了非常突出的成就，自从长春光机所报道单管输出1.95W以来，单管的功率也在不断的被刷新。拥有稳定偏振结构的高功率VCSEL可以应用到更多的领域，比如：激光显示、通信、探测等等。但是圆柱状VCSEL结构有源区内有着各向同性的增益结构，因此在激光器激射时的阈值电流附近两个相互正交的偏振方向会出现激烈的模式竞争效应，并且随着注入电流大小的改变，两个偏振方向也会发生偏振开关效应。通常采用的垂直腔面发射激光器偏振控制结构主要有:在高晶向衬底上生长芯片结构、外腔光反馈结构、高密度半导体光栅结构、表面浮雕结构等。目前这些控制偏振的结构在小孔径VCSEL上应用的比较广泛，而且其产生的结果也非常令人瞩目，但是在高功率垂直腔面发射激光器的偏振控制方面却产生了难以克服的困难。经过分析，亚波长金属光栅可以在有源区内引入各项异性增益。当光栅周期远小于入射波长时，只有电矢量振动方向平行于光栅条的光才能反射回腔内参与激光的震荡。首先，分析国内外关于垂直腔面发射激光器偏振控制的几种方法的优劣，提出金属光栅是目前控制高功率大孔径VCSEL的非常有效的方法。其次，理论上对垂直腔面发射激光器的偏振模式进行了理论分析，并对亚波长金属光栅垂直腔面发射激光器的输出特性，以及内部特性，包括P面分布布拉格反射镜的反射率、对数；阈值增益；阈值电流和输出功率进行了理论的模拟和计算，对亚波长金属光栅的反射率进行了有限元分析。同时提出了氧化光栅控制VCSEL偏振的新模型，并理论模拟了氧化光栅型VCSEL有源区内部电流密度的分布，通过模拟可以确定氧化光栅性VCSEL可以有效的控制高功率VCSEL的偏振，并在一定程度上能很好的控制高阶模式的激射。本论文通过引入这种办法来实现最大各项增益差的引入，进而实现非常高的偏振选择性的差异。并且此结构还能有效的压缩发散角，压制高阶模式的产生。主要的方法就是，让光栅条的制作方向沿两个偏振方向的其中一个方向，比如<110>。通过降低P-DBRs的对数来增加两个偏振方向的阈值增益，然后通过光栅附加在其中一个偏振光栅的反射率来降低此偏振光的阈值增益，从而达到增大两个偏振光TE和TM阈值增益的目的。设计的亚波长金属光栅参数为，周期186nm，占空比为0.5。为了更好的实现亚波长金属光栅的偏振分束器的作用并且达到VCSEL偏振的目的，我们需要降低P面分布布拉格反射镜的反射率。经过计算我们设计P-DBRs对数为17对，此时P-DBRs对TE理论的反射率为98.6%。对封装好的980nm亚波长金属光栅VCSEL进行了输出特性的测试和讨论，我们的到了250um-650um的单管输出结果。其中550um的器件输出功率达到860mW,偏振比达到3。通过对其光谱的探测，我们可以得到两个正交方向的光都发生了红移现象，但是速率有着明显的差异。当注入电流分别为1.2A、2.2A、3A的时候两个偏振光的中心波长分别是978.5nm，981.5nm；982.5nm,982.8nm；985.2nm，984.5nm。通过对其远场的测试，我们得到两个正交方向远场的发散角分别为12.9°和12°比普通单管器件的16.2°和15.6°有了非常明显的提高。为了进一步的提高两个偏振光的偏振比，我们把亚波长金属光栅结构进一步的优化，这里我们通过刻蚀掉光栅条之间的盖层来增加电流注入的不均匀而在有源区内引入的非均匀增益。通过测试550um的器件我们得到了两个偏振光的偏振比达到4.8、输出功率为780毫瓦。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.1.1 VCSEL 的简介
• 1.1.2 高功率 VCSELs 的发展历程
• 1.1.3 垂直腔面发射激光器的应用
• 1.2 垂直腔面发射激光器偏振特性
• 1.2.1 小孔径 VCSEL 偏振控制方法
• 1.2.2 高功率垂直腔面发射激光器的方法探讨
• 1.3 本论文的研究方案
• 第二章 亚波长金属光栅型 VCSEL 的偏振理论分析
• 2.1 VCSEL 偏振理论分析
• 2.1.1 四能级偏振理论模型
• 2.1.2 外光反馈结构偏振理论分析
• 2.1.3 各向异性增益的导入理论分析
• 2.2 亚波长金属光栅结构理论计算
• 2.2.1 均匀介质理论
• 2.2.2 有限元理论
• 2.2.3 P-DBRs 反射率的计算
• 2.3 本章小结
• 第三章 高功率亚波长金属光栅 VCSEL 制备工艺研究
• 3.1 光栅制备工艺简介
• 3.2 双光束干涉法制作光栅
• 3.2.1 双光束干涉法
• 3.2.2 光栅的制备
• 3.3 VCSEL 制备工艺
• 3.3.1 外延片生长技术外延片生长技术
• 3.3.2 外延片清洗
• 3.3.3 光刻技术
• 3.3.4 湿法腐蚀工艺
• 3.3.5 湿法选择氧化技术
• 3.3.6 金属光栅制备工艺流程
• 3.4 本章小结
• 第四章 高功率亚波长金属光栅 VCSEL 输出特性分析
• 4.1 无结构高功率 VCSEL 的性能测试
• 4.1.1 无结构 VCSEL 输出特性分析
• 4.1.2 无结构 VCSEL 的远场分布
• 4.1.3 无机构 VCSEL 偏振输出特性分析
• 4.2 亚波长金属光栅 VCSEL 性能测试
• 4.2.1 亚波长金属光栅型 VCSEL 的输出特性分析
• 4.2.2 亚波长金属光栅型 VCSEL 的偏振输出特性分析
• 4.2.3 亚波长金属光栅型 VCSEL 的远场分布特性与光谱特性
• 4.3 腐蚀掉盖层结构的亚波长金属光栅型 VCSEL 性能测试
• 4.3.1 电流分布模拟分析
• 4.3.2 输出特性分析
• 4.4 氧化光栅型 VCSEL 结构模拟与分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 在学期间的学术成果情况
• 指导教师及作者简介
• 致谢