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麦姆斯咨询|具有偏振分束功能的894nm垂直腔面发射激光器( 三 )


麦姆斯咨询|具有偏振分束功能的894nm垂直腔面发射激光器
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图3TM、TE偏振光的各个光栅单元周期和占空比的详细参数以及对应的相位分布情况
4器件仿真结果
VCSEL无论作为功率源还是信号源 ， 高温环境会导致器件的阈值电流增加以及波长红移、模式不稳定、光电转换效率低等问题 ， 对激光器的寿命以及工作性能产生不容忽视的影响 。 此外 ， 目前所研究的基于亚波长光栅的VCSEL在解决偏振问题时忽略了反射回腔内的TE偏振光 ， 为避免TE部分的偏振光反射回激光器腔中参与振荡 ， 对激光器原先固有的性能造成影响 。 因此 ， 我们对高温阈值特性以及光栅的偏振特性进行了更深入研究 ， 从而提高基于VCSEL的数据通信系统的性能 。
4.1高温阈值特性
为验证器件的高温阈值特性 ， 采用PICS3D软件对其高温特性进行仿真 ， 图1为器件的横截面原理图 ， 以GaAs衬底 ， 上下DBR采用Al0.12Ga0.88As/Al0.9Ga0.1As交替生长 。 图4为得到的三维模型图 。
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图4器件的三维模型图
图５表示在20℃到90℃范围内NSPG-VCSEL的电流—功率曲线 。 我们通过引入增益腔模失配技术 ， 使得器件的阈值电流在温度上升过程中维持在0.6mA左右 ， 远远低于一般结构的1.2mA 。 在20℃到90℃范围内 ， 0.8mA的工作电流下 ， 输出功率稳定在2mW（数据通信系统要求功率）左右 。 在26℃下器件的输出功率是2.4mW ， 当温度上升到90℃时 ， 器件输出功率仍能达到2mW ， 功率随温度的平均变化系数为0.005mW/℃ 。 结果表明 ， NSPG-VCSEL的I-P特性与在室温相比未发生明显衰退 ， 在高温90℃的情况下 ， 仍可满足数据通信系统对器件输出功率的要求 。
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图520℃到90℃范围内NSPG-VCSEL的电流—功率曲线
接下来我们以NSPG-VCSEL在微型原子钟的应用为例 ， 研究其激射波长在高温工作环境下的稳定性 ， 图6所示为NSPG-VCSEL上下DBR的反射谱线 。 在室温环境下激射波长在890.437nm ， 通过采用-13.164nm的失配量 ， 在85℃（微型原子钟的工作温度）激射波长达到894.62nm 。 因此 ， 在高温工作环境中 ， 器件能满足工作波长的要求 。
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图6NSPG-VCSEL上下DBR的反射谱线
4.2偏振分束特性
为验证所设计光栅的汇聚及偏振性能 ， 采用COMSOLMULTIPHYSICS多物理有限元分析软件对其偏振特性进行仿真 ， 图7为器件的仿真理论模型图 ， 入射波长为894nm ， AlGaAs折射率为n2=3.565 ， 空气折射率n1=1 ， 光栅的厚度为120nm 。
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图7光栅建模结构
图8（a）是未刻蚀光栅的VCSEL透射光的电场强度分布 ， 其光栅的透射光未实现会聚 。 图8（b）表示有会聚光栅器件的透射光的电场强度分布 。 由图可以看出 ， 当894nm波长的光垂直入射光栅表面时 ， 亚波长光栅的透射光波实现会聚 。 计算得到TM偏振光入射时的焦距为15μm ， 半高全宽（FullWidthatHalfMaxima ， FWHM）约为0.853μm ， 从而说明了加会聚光栅后器件具有优越的光束会聚功能 。
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图8会聚效果对比图
图9（a）表示为整个器件出射光电场强度分布 ， 图9（b）显示了整个器件不同角度的偏振分束光的电场强度分布（左边为TM ， 右边为TE） ， 可以看出 ， 当894nm波长的光垂直入射光栅表面时 ， 非周期条形光栅的透射光波可实现30°、45°、60°不同角度的偏振分束 。 TM输出端口的TM和TE偏振光的透射率分别为99.880% ， 0.096%、98.400% ， 0.094%、98.420% ， 0.094%；TE输出端口的TE和TM偏振波的透射率分别为96.000% ， 0.090%、95.400% ， 0.090%、95.00% ， 0.087% 。 其中偏振角度为30°时 ， 偏振透射效果最佳 ， 实现消光比＞30dB ， 光功率达到1.997mW 。 NSPG-VCSEL与其他基于亚波长光栅结构的VCSEL相比 ， 避免了TE部分的偏振光反射回激光器腔中参与振荡 ， 对激光器原先固有的性能造成影响 ， 实现了偏振分束光栅将TM与TE偏振光同时透射 ， 本器件消光比＞30dB ， 与同类基于亚波长光栅的VCSEL结构的20dB相比具有很大幅度提升 ， 说明该结构具有优越的偏振分束功能 ， 有利于器件的高效集成 ， 降低了器件集成的复杂度与成本 ， 在微光学集成系统以及微光机电系统具有很好的应用前景 。


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