表面集成微光学元件垂直腔面发射激光器研究

CIOMP OpenIR

	表面集成微光学元件垂直腔面发射激光器研究
	黄佑文
学位类型	博士
导师	宁永强
	2018
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位名称	博士
关键词	垂直腔面发射激光器微透镜单横模发散角扩散限制湿法化学刻蚀
摘要	在光纤通信,光互联,高速激光器,激光打印和激光雷达等领域,垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser VCSEL)因其自身的单纵模发射、圆对称光斑、超低阈值电流和功率消耗等优点,而被作为低成本低能耗的光源而被广泛应用。但是VCSEL自身的光束发散角大,横向多模分布、光束质量差,在一些直接使用VCSEL的应用中受到限制。因此改善VCSEL自身发散角大小,提高光束质量,改善横向模式特性的研究变得意义重大。在本论文中,将使用有限时域差分法建立完整的VCSEL集成微光学元件模型。分别模拟了表面集成微透镜VCSEL和表面集成非周期性亚波长高对比度光栅VCSEL阵列,实现了VCSEL光束质量改进和控制。基于软件模拟,我们制备出了高光束质量的VCSEL激光器和提出了多角度光束偏转的VCSEL列阵激光雷达光源。本论文主要从以下几点开展:1、器件模型、数值模拟在有限时域差分(finite-different time-domain FDTD)软件里面建立了微透镜集成VCSEL光子微腔模型,模型中点光源置于有源区偏离中心的位置,微透镜的非球常数和半径分别设置为2和9μm,模拟中通过改变微透镜高度实现不同曲率半径大小的微透镜。分别模拟额透镜高度为100nm,150nm,200nm,250nm,300nm,350nm的微透镜集成VCSEL,分析了微透镜曲率半径对VCSEL内部光场模式分布的影响,从模拟结果我们得知,当微透镜曲率半径小于40.6μm时候,有利于基模出射。2高光束质量单片集成微透镜VCSEL制备、测试分析采用限制扩散湿法化学刻蚀制备方法,研究中使用的刻蚀液体是体积比为1:1:10的HBr:H_2O_2:H_2O混合液。刻蚀过程保持温度恒定,微透镜的曲率半径由刻蚀时间决定。我们制备了不同曲率半径微透镜集成VCSEL,研究不同曲率半径微透镜对VCSEL的腔内模式特性、阈值电流特性、阈值增益特性、输出功率特性、远场发散角特性、光束质量因子,光谱特性的影响。研究结果显示,集成了较小曲率半径R_c=31.78μm的微透镜VCSEL,其阈值电流、最大输出功率分别为1.2mA和1.35mW,电流注入大小分别为1mA,2mA,3mA时,其发散角大小分别为4.2°,5.5°,5.7°;其光谱能获得单模输出,且边模抑制比>25dB。3多角度光束控制非周期性高对比度光栅垂直腔面发射激光器设计了特定周期和占空比的非周期性高对比度光栅来实现光束的波前相位控制,进而实现对光束的多角度控制。在研究中,我们采用了有限时域差分法模拟了特殊排列的非周期高对比度光栅,并获得了-10.644°,-21.176°,-28.307°,10.644°,21.447°和28.418°的光束控制角度。基于这种多角度控制的高对比度光栅阵列,我们提出了一种具有多角度光束控制的VCSEL光源,这种尺寸极小的宽角度发射VCSEL光源系统能使激光雷达系统的结构紧凑化和微型化。
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/61557
专题	中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	黄佑文. 表面集成微光学元件垂直腔面发射激光器研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2018.

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表面集成微光学元件垂直腔面发射激光器研究（5249KB）	学位论文		开放获取	CC BY-NC-SA	请求全文