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(diǎn)。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(lái)改善腔模位置以及在頂層集成光柵改善出光信號(hào)的光場(chǎng)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(huì)聚、偏振分束功能，提出一種基于非周期性亞波長(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)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(kāi)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(dòng)態(tài)單模工作等優(yōu)點(diǎn)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(kāi)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(guó)際研究的熱點(diǎn)。

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(lái)：當(dāng)VCSEL工作在連續(xù)波時(shí)，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(huì)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(shí)，溫度的升高會(huì)使激光器出現(xiàn)激射波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)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(huì)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(shí)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(duì)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(shí)意義。此外，VCSEL屬于柱對(duì)稱結(jié)構(gòu)，正交偏振的兩束偏振光沒(méi)有主次之分，而且兩束偏振光會(huì)沿任意角度傳播，因此無(wú)法獲得具有穩(wěn)定偏振的輸出。目前在解決VCSEL偏振問(wèn)題時(shí)，一般通過(guò)在器件頂層集成亞波長(zhǎng)光柵的方式實(shí)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(guò)在具體分析時(shí)均未考慮被反射回腔內(nèi)的TE偏振光對(duì)激光器原有工作性能的影響。

為解決以上VCSEL存在的問(wèn)題，我們提出一種基于非周期性亞波長(zhǎng)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(guò)分析在溫度升高時(shí)腔模位置以及氧化孔徑對(duì)于激射波長(zhǎng)的影響，確定了NSPG-VCSEL光柵實(shí)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(shí)現(xiàn)了NSPG-VCSEL的耐高溫性能，通過(guò)對(duì)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(zhǎng)以及出光信號(hào)的要求。

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

圖1所示為894 nm NSPG-VCSEL的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。通過(guò)有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積（Metal-organicChemical Vapor Deposition，MOCVD）在GaAs襯底上生長(zhǎng)NSPG-VCSEL的外延半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。有源區(qū)包含3個(gè)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(duì)Al0.12Ga0.88As/ Al0.9Ga0.1As層組成。在有源區(qū)和PDBR之間生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)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(zhǎng)，腔模是其最主要的決定因素，當(dāng)光通過(guò)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(zhǎng)處對(duì)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(huì)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(jì)。同時(shí)，量子阱增益峰值波長(zhǎng)也會(huì)隨之紅移，因此，在室溫下將量子阱增益峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)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(shí)，量子阱增益峰波長(zhǎng)與腔模相匹配滿足工作波長(zhǎng)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(shuō)明相同的電流注入下，當(dāng)溫度升高時(shí)，較小氧化孔徑會(huì)使散射損耗增大，載流子會(huì)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(duì)稱結(jié)構(gòu)，在短軸方向的出光信號(hào)分布受到限制，導(dǎo)致光場(chǎng)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(zhǎng)藍(lán)移。隨著氧化孔徑的增大，不同徑向的折射率差值會(huì)隨之減小，各向異性減弱，器件的出射波長(zhǎng)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?duì)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(huì)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(shí)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(gè)方向傳播。當(dāng)波長(zhǎng)為894 nm的TE與TM混合偏振光垂直入射至光柵表面時(shí)，TM偏振光幾乎完全被衍射至1級(jí)，而TE偏振光則被衍射至-1級(jí)。根據(jù)光柵方程，計(jì)算可以得到，TE偏振光在-1級(jí)的衍射效率為96.12%，TM偏振光在1級(jí)的衍射效率高達(dá)99.61%。

圖2 具有會(huì)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(shí)現(xiàn)光束透射會(huì)聚作用。TE和TM兩個(gè)偏振光作為入射光經(jīng)過(guò)下層的非周期亞波長(zhǎng)光柵使各自光束會(huì)聚到兩個(gè)不同的焦點(diǎn)處。圖3（a）給出了TM偏振光的各個(gè)光柵單元周期和占空比的詳細(xì)參數(shù)以及對(duì)應(yīng)的相位分布情況。圖3（b）給出了TE偏振光各個(gè)光柵單元周期和占空比的詳細(xì)參數(shù)以及對(duì)應(yīng)的相位分布情況。從圖中可以看出，離散相位的各點(diǎn)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(shí)現(xiàn)非周期性亞波長(zhǎng)光柵的會(huì)聚功能。

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

4器件仿真結(jié)果

VCSEL無(wú)論作為功率源還是信號(hào)源，高溫環(huán)境會(huì)導(dǎo)致器件的閾值電流增加以及波長(zhǎng)紅移、模式不穩(wěn)定、光電轉(zhuǎn)換效率低等問(wèn)題，對(duì)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(zhǎng)光柵的VCSEL在解決偏振問(wèn)題時(shí)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(duì)激光器原先固有的性能造成影響。因此，我們對(duì)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(yàn)證器件的高溫閾值特性，采用PICS3D軟件對(duì)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(zhǎng)。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(guò)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(guò)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(shí)，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(duì)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(lái)我們以NSPG-VCSEL在微型原子鐘的應(yīng)用為例，研究其激射波長(zhǎng)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(zhǎng)在890.437 nm，通過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)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(yàn)證所設(shè)計(jì)光柵的匯聚及偏振性能，采用COMSOLMULTIPHYSICS多物理有限元分析軟件對(duì)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(zhǎng)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(chǎng)強(qiáng)度分布，其光柵的透射光未實(shí)現(xiàn)會(huì)聚。圖8（b）表示有會(huì)聚光柵器件的透射光的電場(chǎng)強(qiáng)度分布。由圖可以看出，當(dāng)894 nm波長(zhǎng)的光垂直入射光柵表面時(shí)，亞波長(zhǎng)光柵的透射光波實(shí)現(xiàn)會(huì)聚。計(jì)算得到TM偏振光入射時(shí)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(shuō)明了加會(huì)聚光柵后器件具有優(yōu)越的光束會(huì)聚功能。

圖8 會(huì)聚效果對(duì)比圖

圖9（a）表示為整個(gè)器件出射光電場(chǎng)強(qiáng)度分布，圖9（b）顯示了整個(gè)器件不同角度的偏振分束光的電場(chǎng)強(qiáng)度分布（左邊為T(mén)M，右邊為T(mén)E），可以看出，當(dāng)894 nm波長(zhǎng)的光垂直入射光柵表面時(shí)，非周期條形光柵的透射光波可實(shí)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(shí)，偏振透射效果最佳，實(shí)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(zhǎng)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(duì)激光器原先固有的性能造成影響，實(shí)現(xiàn)了偏振分束光柵將TM與TE偏振光同時(shí)透射，本器件消光比＞30dB，與同類基于亞波長(zhǎng)光柵的VCSEL結(jié)構(gòu)的20 dB相比具有很大幅度提升，說(shuō)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(jī)電系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用前景。

圖9 出射光的電場(chǎng)強(qiáng)度分布

5結(jié)論

本文提出了一種基于非周期性亞波長(zhǎng)偏振分束光柵的894 nmNSPG-VCSEL，通過(guò)改善增益腔模失配量以及氧化孔徑的尺寸形狀，實(shí)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(zhǎng)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(duì)偏振光實(shí)現(xiàn)了良好的會(huì)聚效果。滿足了微型原子鐘、軍事通信等領(lǐng)域?qū)す馄鞑ㄩL(zhǎng)以及出光信號(hào)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)。