垂直腔面发射激光器的模式控制研究

CIOMP OpenIR

	垂直腔面发射激光器的模式控制研究
	向磊
学位类型	博士
导师	缪国庆 ; 张星
	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单模边模抑制比表面浮雕介质膜浮雕
摘要	与传统的边发射激光器(EEL)相比,垂直腔面发射激光器(VCSEL)因其独特的优势被广泛应用,例如:天然单纵模、低阈值电流、易于二维集成和圆形输出光斑等。但因为VCSEL横向尺寸较大,通常为多横模激射,这一特性限制了VCSEL在光谱分析和光通讯等领域的应用。传统实现单模的方法大多涉及到二次外延生长和精准的半导体刻蚀技术,这些工艺使得制备单模器件变得复杂且难以统一控制,在批量大规模生产时存在许多障碍。针对大氧化口径下实现单模激射的问题,本文通过表面浮雕技术和介质膜浮雕技术抑制高阶模式来获得单模输出;同时为了实现高温稳定工作,在结构设计中通过腔模失配来解决温度对器件的影响。本实验还通过不规则的椭圆形介质膜浮雕来实现单模单偏振输出,并讨论了介质膜对VCSEL的影响。首先对大氧化口径VCSEL中进行模式分析,实现VCSEL单横模激射需要了解横向尺寸与模式分布的关系。为了提高VCSEL的单模输出功率和减小器件的电阻所带来的热效应,本文选择表面浮雕VCSEL中的氧化口径为7μm,但7μm的氧化口径大于传统小口径实现单模的条件,随着电流的增加会出现多横模激射的现象。为了解决这个问题,我们采用实现单模最为有效的表面浮雕技术,通过控制刻蚀高阶模式区域的盖层和DBR,来增加高阶模式的损耗,这样便可以提高高阶模式的阈值增益,然后通过保留基模区域不变,这样便能实现模式选择,从而获得基模输出。而针对6μm的氧化口径的介质膜浮雕VCSEL,我们首先在VCSEL表面生长λ/4厚的介质膜,这样对于所有模式的阈值增益都会达到最大值,然后通过干法刻蚀去除基模区域的介质膜而保留高阶模式区域的介质膜,这样基模的阈值增益便会最小,而高阶模式的阈值增益处于最大。通过这种控制介质膜沉积的厚度和位置来实现对于VCSEL不同模式阈值增益的控制,从而实现抑制高阶模式来获得单模输出。我们提出了三种控制VCSEL模式的方法并分别完成了器件制备。第一种是采用正相表面浮雕结构结合腔模失配,我们研制出高温环境下单模稳定输出的VCSEL,表面浮雕在VCSEL的出光口中央起到模式过滤的作用,高温下阈值电流最小值为1.94mA,工作温度在80℃时最大的单模输出功率为0.45mW,不同电流和不同温度下的边模抑制比都超过30dB。在以上工作基础上,我们进一步提出了第二种圆形介质膜浮雕结构,简化了器件制备工艺流程。通过在VCSEL出光口集成介质膜浮雕,控制介质膜的位置和形状来改变镜面反射率,这种模式控制机制对器件没有损伤而且可以应用到其他波长VCSEL实现单模输出,这种思路提高了器件的可重复性。测试结果表明在连续性电流注入下,单模输出功率可达1mW,边模抑制比超过30dB。第三种是椭圆形介质膜浮雕VCSEL器件,为实现垂直腔面发射激光器的单模单偏振输出,本实验提出了VCSEL集成椭圆形介质膜表面浮雕结构。通过控制介质膜的形状、厚度及沉积位置,抑制高阶模式,实现基横模输出。实验结果表明,不规则的椭圆形介质膜实现了单模单偏振输出,室温下单模输出功率可达0.55mW,功率正交偏振抑制比达到16.7dB,边模抑制比超过25dB,最后测试不同电流下器件的光谱来分析介质膜对VCSEL的光学性能的影响。
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/61562
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	向磊. 垂直腔面发射激光器的模式控制研究[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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垂直腔面发射激光器的模式控制研究.caj（6377KB）	学位论文		开放获取	CC BY-NC-SA	请求全文