基于非周期性亞波長偏振分束光柵的894 nmNSPG-VCSEL

姜夕梅，范鑫燁，白成林

聊城大學(xué)物理科學(xué)與信息工程學(xué)院

摘要：垂直腔面發(fā)射激光器是先進(jìn)光學(xué)信息系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一，具有低成本、低發(fā)散角、窄線寬等優(yōu)點。為滿足垂直腔面發(fā)射激光器在微型原子鐘、軍事通信等領(lǐng)域的應(yīng)用，優(yōu)化激光器的結(jié)構(gòu)參數(shù)來改善腔模位置以及在頂層集成光柵改善出光信號的光場分布就變得尤為重要?；谠鲆媲荒ＪеC技術(shù)以及光柵優(yōu)異的光束會聚、偏振分束功能，提出一種基于非周期性亞波長光柵的894 nm垂直腔面發(fā)射激光器。利用光柵的偏振分束功能，可使器件輸出端口的消光大于30 dB。通過改善腔模位置以及氧化孔徑，器件在20~90 ℃范圍內(nèi)基本工作性能保持穩(wěn)定，在85 ℃環(huán)境下工作波長滿足微型原子鐘的要求，輸出光功率為2 mW，為下一代微型原子鐘、軍事通信等的發(fā)展提供了良好的理論基礎(chǔ)。

1引言

自1977年，日本東京工業(yè)大學(xué)的伊賀健一（Kenichi Iga）提出垂直腔面發(fā)射激光器（Vertical CavitySurface Emitting Laser，VCSEL）的概念開始，因其光學(xué)諧振腔與半導(dǎo)體芯片襯底垂直，能夠?qū)崿F(xiàn)芯片表面的激光發(fā)射，且具有低成本、窄線寬、易高頻調(diào)制、動態(tài)單模工作等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用。在軍事通信、原子陀螺儀、微型原子鐘等領(lǐng)域具有重要的意義，目前開發(fā)研究具有高效偏振性能、耐高溫性能的VCSEL已經(jīng)成為國際研究的熱點。

隨著VCSEL的廣泛應(yīng)用，其某些缺陷和不足之處也逐漸呈現(xiàn)出來：當(dāng)VCSEL工作在連續(xù)波時，由于電流的注入和器件結(jié)電阻、體電阻等原因使器件自身產(chǎn)生的熱量以及工作環(huán)境中溫度的升高，會導(dǎo)致VCSEL有源區(qū)在閾值處的溫度比襯底高25~30 ℃。當(dāng)高于26 ℃時，溫度的升高會使激光器出現(xiàn)激射波長向長波長方向漂移、閾值電流增加、模式不穩(wěn)定、光電轉(zhuǎn)換效率降低。此外，還會造成有源區(qū)各材料層間產(chǎn)生熱應(yīng)力，而使激光器的壽命受到影響。因此，高溫（85 ± 5 ℃）是VCSEL實現(xiàn)穩(wěn)定工作的主要限制因素，改善激光器的耐高溫特性對提高器件性能穩(wěn)定性及使用壽命具有極其重要的現(xiàn)實意義。此外，VCSEL屬于柱對稱結(jié)構(gòu)，正交偏振的兩束偏振光沒有主次之分，而且兩束偏振光會沿任意角度傳播，因此無法獲得具有穩(wěn)定偏振的輸出。目前在解決VCSEL偏振問題時，一般通過在器件頂層集成亞波長光柵的方式實現(xiàn)，從而使得TM偏振光被透射出去作為激光器的出射光，TE偏振光則是被反射回激光器的腔內(nèi)參與振蕩，不過在具體分析時均未考慮被反射回腔內(nèi)的TE偏振光對激光器原有工作性能的影響。

為解決以上VCSEL存在的問題，我們提出一種基于非周期性亞波長偏振分束光柵的垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL based on Non-periodic Subwavelength Polarization beamsplitting Grating，NSPG-VCSEL）。通過分析在溫度升高時腔模位置以及氧化孔徑對于激射波長的影響，確定了NSPG-VCSEL光柵實現(xiàn)偏振分束的相位條件，建立了NSPG-VCSEL系統(tǒng)模型?；诟纳魄荒Ｎ恢靡约皟?yōu)化氧化孔徑實現(xiàn)了NSPG-VCSEL的耐高溫性能，通過對比本器件加偏振分束光柵前后輸出光功率、消光比等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)完全能夠滿足微型原子鐘、軍事通信等領(lǐng)域?qū)す馄鞑ㄩL以及出光信號的要求。

2 894 nmNSPG-VCSEL結(jié)構(gòu)設(shè)計理論

圖1所示為894 nm NSPG-VCSEL的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。通過有機金屬化學(xué)氣相沉積（Metal-organicChemical Vapor Deposition，MOCVD）在GaAs襯底上生長NSPG-VCSEL的外延半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。有源區(qū)包含3個提供光增益的InGaAs應(yīng)變量子阱，底部分布布拉格反射鏡（NDBR）和頂部分布布拉格反射鏡（PDBR）由34 / 22.5對Al0.12Ga0.88As/ Al0.9Ga0.1As層組成。在有源區(qū)和PDBR之間生長30 nm厚的Al0.98Ga0.02As層作為氧化限制層。頂層是120 nm厚的非周期性亞波長光柵結(jié)構(gòu)，光柵的材料為AlGaAs。

圖1 894 nm NSPG-VCSEL的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖

2.1閾值特性

已知閾值電流的表達(dá)式

其中，γ為損耗系數(shù)，αm為鏡面損耗，τr為光學(xué)限制因子，ηi為內(nèi)部量子效率。

影響器件閾值特性的主要因素有腔體的損耗、有源區(qū)的體積、有源區(qū)的材料選取，為得到NSPG-VCSEL的低閾值電流，我們采取了以下措施：降低腔體的損耗，即增加DBR的反射率，DBR選擇由兩種厚度為λ / 4的高低折射率材料交替生長而成；減小發(fā)光區(qū)有源區(qū)的體積，即減小量子阱的厚度，選用了6 nm的量子阱厚度，與一般結(jié)構(gòu)相比具有較小量子阱厚度且增益能夠達(dá)到最佳效果；選取了Ntr值較低g0值較高的材料，在達(dá)到減小閾值電流的同時保證了閾值增益滿足產(chǎn)生激光的必要條件。

2.2高溫特性

高溫工作環(huán)境中，為使器件穩(wěn)定在工作波長，腔模是其最主要的決定因素，當(dāng)光通過K層材料后產(chǎn)生的傳輸矩陣可以表示為：

由上式得出器件在不同波長處對應(yīng)的反射率、反射譜，進(jìn)而獲得腔模位置。隨著環(huán)境溫度的升高，腔模位置會發(fā)生紅移，但是由于AlGaAs材料折射率受溫度影響很小，因而，腔模紅移的速率很小，可以忽略不計。同時，量子阱增益峰值波長也會隨之紅移，因此，在室溫下將量子阱增益峰值對應(yīng)的波長適當(dāng)?shù)乃{(lán)移，隨工作溫度的升高，量子阱增益峰值不斷靠近腔模位置，當(dāng)升高到某一溫度時，量子阱增益峰波長與腔模相匹配滿足工作波長的要求。

器件自熱效應(yīng)與電流、氧化孔徑尺寸比例關(guān)系可表示為：

其中ｄ為氧化孔徑的尺寸。

上式說明相同的電流注入下，當(dāng)溫度升高時，較小氧化孔徑會使散射損耗增大，載流子會從量子阱中逸出，因此，較小的氧化孔徑的NSPG-VCSEL自熱效應(yīng)更明顯。此外，由于橢圓形不是對稱結(jié)構(gòu)，在短軸方向的出光信號分布受到限制，導(dǎo)致光場能量分布不均勻。在不同方向的折射率分布也不均勻，導(dǎo)致出射波長藍(lán)移。隨著氧化孔徑的增大，不同徑向的折射率差值會隨之減小，各向異性減弱，器件的出射波長穩(wěn)定。因此，本器件采用標(biāo)準(zhǔn)圓形較大尺寸的氧化孔徑。

選擇適當(dāng)?shù)脑鲆媲荒Ｊ淞恳约把趸讖降男螤?、尺寸對NSPG-VCSEL的高溫性能至關(guān)重要。

3光柵理論

圖2所示為具有會聚功能的偏振分束光柵結(jié)構(gòu)示意圖。下層是表面刻蝕的AlGaAs結(jié)構(gòu)，主要實現(xiàn)偏振分束功能，TE和TM的混合偏振光垂直入射在下層光柵表面，將入射光分成TE和TM偏振光，分別向左右兩個方向傳播。當(dāng)波長為894 nm的TE與TM混合偏振光垂直入射至光柵表面時，TM偏振光幾乎完全被衍射至1級，而TE偏振光則被衍射至-1級。根據(jù)光柵方程，計算可以得到，TE偏振光在-1級的衍射效率為96.12%，TM偏振光在1級的衍射效率高達(dá)99.61%。

圖2 具有會聚功能的偏振分束光柵結(jié)構(gòu)示意圖

上層結(jié)構(gòu)主要是實現(xiàn)光束透射會聚作用。TE和TM兩個偏振光作為入射光經(jīng)過下層的非周期亞波長光柵使各自光束會聚到兩個不同的焦點處。圖3（a）給出了TM偏振光的各個光柵單元周期和占空比的詳細(xì)參數(shù)以及對應(yīng)的相位分布情況。圖3（b）給出了TE偏振光各個光柵單元周期和占空比的詳細(xì)參數(shù)以及對應(yīng)的相位分布情況。從圖中可以看出，離散相位的各點幾乎全部位于連續(xù)相位的曲線上，這兩種分布基本一致，進(jìn)而實現(xiàn)非周期性亞波長光柵的會聚功能。

圖3 TM、TE偏振光的各個光柵單元周期和占空比的詳細(xì)參數(shù)以及對應(yīng)的相位分布情況

4器件仿真結(jié)果

VCSEL無論作為功率源還是信號源，高溫環(huán)境會導(dǎo)致器件的閾值電流增加以及波長紅移、模式不穩(wěn)定、光電轉(zhuǎn)換效率低等問題，對激光器的壽命以及工作性能產(chǎn)生不容忽視的影響。此外，目前所研究的基于亞波長光柵的VCSEL在解決偏振問題時忽略了反射回腔內(nèi)的TE偏振光，為避免TE部分的偏振光反射回激光器腔中參與振蕩，對激光器原先固有的性能造成影響。因此，我們對高溫閾值特性以及光柵的偏振特性進(jìn)行了更深入研究，從而提高基于VCSEL的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的性能。

4.1高溫閾值特性

為驗證器件的高溫閾值特性，采用PICS3D軟件對其高溫特性進(jìn)行仿真，圖1為器件的橫截面原理圖，以GaAs襯底，上下DBR采用Al0.12Ga0.88As /Al0.9Ga0.1As交替生長。圖4為得到的三維模型圖。

圖4 器件的三維模型圖

圖５表示在20 ℃到90 ℃范圍內(nèi)NSPG-VCSEL的電流—功率曲線。我們通過引入增益腔模失配技術(shù)，使得器件的閾值電流在溫度上升過程中維持在0.6 mA左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一般結(jié)構(gòu)的1.2 mA。在20 ℃到90 ℃范圍內(nèi)，0.8 mA的工作電流下，輸出功率穩(wěn)定在2 mW（數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)要求功率）左右。在26 ℃下器件的輸出功率是2.4 mW，當(dāng)溫度上升到90 ℃時，器件輸出功率仍能達(dá)到2 mW，功率隨溫度的平均變化系數(shù)為0.005 mW/℃。結(jié)果表明，NSPG-VCSEL的I - P特性與在室溫相比未發(fā)生明顯衰退，在高溫90 ℃的情況下，仍可滿足數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)對器件輸出功率的要求。

圖5 20 ℃到90 ℃范圍內(nèi)NSPG-VCSEL的電流—功率曲線

接下來我們以NSPG-VCSEL在微型原子鐘的應(yīng)用為例，研究其激射波長在高溫工作環(huán)境下的穩(wěn)定性，圖6所示為NSPG-VCSEL上下DBR的反射譜線。在室溫環(huán)境下激射波長在890.437 nm，通過采用-13.164 nm的失配量，在85 ℃（微型原子鐘的工作溫度）激射波長達(dá)到894.62 nm。因此，在高溫工作環(huán)境中，器件能滿足工作波長的要求。

圖6 NSPG-VCSEL上下DBR的反射譜線

4.2偏振分束特性

為驗證所設(shè)計光柵的匯聚及偏振性能，采用COMSOLMULTIPHYSICS多物理有限元分析軟件對其偏振特性進(jìn)行仿真，圖7為器件的仿真理論模型圖，入射波長為894 nm，AlGaAs折射率為n2= 3.565，空氣折射率n1 = 1，光柵的厚度為120 nm。

圖7 光柵建模結(jié)構(gòu)

圖8（a）是未刻蝕光柵的VCSEL透射光的電場強度分布，其光柵的透射光未實現(xiàn)會聚。圖8（b）表示有會聚光柵器件的透射光的電場強度分布。由圖可以看出，當(dāng)894 nm波長的光垂直入射光柵表面時，亞波長光柵的透射光波實現(xiàn)會聚。計算得到TM偏振光入射時的焦距為15 μm，半高全寬（Full Width at Half Maxima，F(xiàn)WHM）約為0.853 μm，從而說明了加會聚光柵后器件具有優(yōu)越的光束會聚功能。

圖8 會聚效果對比圖

圖9（a）表示為整個器件出射光電場強度分布，圖9（b）顯示了整個器件不同角度的偏振分束光的電場強度分布（左邊為TM，右邊為TE），可以看出，當(dāng)894 nm波長的光垂直入射光柵表面時，非周期條形光柵的透射光波可實現(xiàn)30°、45°、60°不同角度的偏振分束。TM輸出端口的TM和TE偏振光的透射率分別為99.880%，0.096%、98.400%，0.094%、98.420%，0.094%；TE輸出端口的TE和TM偏振波的透射率分別為96.000%，0.090%、95.400%，0.090%、95.00%，0.087%。其中偏振角度為30°時，偏振透射效果最佳，實現(xiàn)消光比＞30 dB，光功率達(dá)到1.997 mW。NSPG-VCSEL與其他基于亞波長光柵結(jié)構(gòu)的VCSEL相比，避免了TE部分的偏振光反射回激光器腔中參與振蕩，對激光器原先固有的性能造成影響，實現(xiàn)了偏振分束光柵將TM與TE偏振光同時透射，本器件消光比＞30dB，與同類基于亞波長光柵的VCSEL結(jié)構(gòu)的20 dB相比具有很大幅度提升，說明該結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越的偏振分束功能，有利于器件的高效集成，降低了器件集成的復(fù)雜度與成本，在微光學(xué)集成系統(tǒng)以及微光機電系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用前景。

圖9 出射光的電場強度分布

5結(jié)論

本文提出了一種基于非周期性亞波長偏振分束光柵的894 nmNSPG-VCSEL，通過改善增益腔模失配量以及氧化孔徑的尺寸形狀，實現(xiàn)了器件在20~90 ℃范圍內(nèi)基本工作性能保持穩(wěn)定。利用亞波長光柵的偏振分束功能，器件輸出端口的消光比＞30 dB，且焦距處光束的半高全寬為0.853 μm，對偏振光實現(xiàn)了良好的會聚效果。滿足了微型原子鐘、軍事通信等領(lǐng)域?qū)す馄鞑ㄩL以及出光信號的要求，為下一代微型原子鐘、軍事通信等的發(fā)展提供了良好的理論基礎(chǔ)。