姜夕梅，范鑫燁，白成林

聊城大學物理科學與信息工程學院

摘要：垂直腔面發射激光器是先進光學信息系統的關鍵器件之一，具有低成本、低發散角、窄線寬等優點。為滿足垂直腔面發射激光器在微型原子鐘、軍事通信等領域的應用，優化激光器的結構參數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。基于增益腔模失諧技術以及光柵優異的光束會聚、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 ℃范圍內基本工作性能保持穩定，在85 ℃環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、軍事通信等的發展提供了良好的理論基礎。

1引言

自1977年，日本東京工業大學的伊賀健一（Kenichi Iga）提出垂直腔面發射激光器（Vertical CavitySurface Emitting Laser，VCSEL）的概念開始，因其光學諧振腔與半導體芯片襯底垂直，能夠實現芯片表面的激光發射，且具有低成本、窄線寬、易高頻調制、動態單模工作等優點被廣泛應用。在軍事通信、原子陀螺儀、微型原子鐘等領域具有重要的意義，目前開發研究具有高效偏振性能、耐高溫性能的VCSEL已經成為國際研究的熱點。

隨著VCSEL的廣泛應用，其某些缺陷和不足之處也逐漸呈現出來：當VCSEL工作在連續波時，由于電流的注入和器件結電阻、體電阻等原因使器件自身產生的熱量以及工作環境中溫度的升高，會導致VCSEL有源區在閾值處的溫度比襯底高25~30 ℃。當高于26 ℃時，溫度的升高會使激光器出現激射波長向長波長方向漂移、閾值電流增加、模式不穩定、光電轉換效率降低。此外，還會造成有源區各材料層間產生熱應力，而使激光器的壽命受到影響。因此，高溫（85 ± 5 ℃）是VCSEL實現穩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定性及使用壽命具有極其重要的現實意義。此外，VCSEL屬于柱對稱結構，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，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參與振蕩，不過在具體分析時均未考慮被反射回腔內的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光柵實現偏振分束的相位條件，建立了NSPG-VCSEL系統模型。基于改善腔模位置以及優化氧化孔徑實現了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，發現完全能夠滿足微型原子鐘、軍事通信等領域對激光器波長以及出光信號的要求。

2 894 nmNSPG-VCSEL結構設計理論

圖1所示為894 nm NSPG-VCSEL的橫截面結構示意圖。通過有機金屬化學氣相沉積（Metal-organicChemical Vapor Deposition，MOCVD）在GaAs襯底上生長NSPG-VCSEL的外延半導體結構。有源區包含3個提供光增益的InGaAs應變量子阱，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構，光柵的材料為AlGaAs。

圖1 894 nm NSPG-VCSEL的橫截面結構示意圖

2.1閾值特性

已知閾值電流的表達式

其中，γ為損耗系數，αm為鏡面損耗，τr為光學限制因子，ηi為內部量子效率。

影響器件閾值特性的主要因素有腔體的損耗、有源區的體積、有源區的材料選取，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；減小發光區有源區的體積，即減小量子阱的厚度，選用了6 nm的量子阱厚度，與一般結構相比具有較小量子阱厚度且增益能夠達到最佳效果；選取了Ntr值較低g0值較高的材料，在達到減小閾值電流的同時保證了閾值增益滿足產生激光的必要條件。

2.2高溫特性

高溫工作環境中，為使器件穩定在工作波長，腔模是其最主要的決定因素，當光通過K層材料后產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的反射率、反射譜，進而獲得腔模位置。隨著環境溫度的升高，腔模位置會發生紅移，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的波長適當的藍移，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。

器件自熱效應與電流、氧化孔徑尺寸比例關系可表示為：

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自熱效應更明顯。此外，由于橢圓形不是對稱結構，在短軸方向的出光信號分布受到限制，導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，導致出射波長藍移。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，器件的出射波長穩定。因此，本器件采用標準圓形較大尺寸的氧化孔徑。

選擇適當的增益腔模失配量以及氧化孔徑的形狀、尺寸對NSPG-VCSEL的高溫性能至關重要。

3光柵理論

圖2所示為具有會聚功能的偏振分束光柵結構示意圖。下層是表面刻蝕的AlGaAs結構，主要實現偏振分束功能，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99.61%。

圖2 具有會聚功能的偏振分束光柵結構示意圖

上層結構主要是實現光束透射會聚作用。TE和TM兩個偏振光作為入射光經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參數以及對應的相位分布情況。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參數以及對應的相位分布情況。從圖中可以看出，離散相位的各點幾乎全部位于連續相位的曲線上，這兩種分布基本一致，進而實現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參數以及對應的相位分布情況

4器件仿真結果

VCSEL無論作為功率源還是信號源，高溫環境會導致器件的閾值電流增加以及波長紅移、模式不穩定、光電轉換效率低等問題，對激光器的壽命以及工作性能產生不容忽視的影響。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行了更深入研究，從而提高基于VCSEL的數據通信系統的性能。

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NSPG-VCSEL的電流—功率曲線。我們通過引入增益腔模失配技術，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，遠遠低于一般結構的1.2 mA。在20 ℃到90 ℃范圍內，0.8 mA的工作電流下，輸出功率穩定在2 mW（數據通信系統要求功率）左右。在26 ℃下器件的輸出功率是2.4 mW，當溫度上升到90 ℃時，器件輸出功率仍能達到2 mW，功率隨溫度的平均變化系數為0.005 mW/℃。結果表明，NSPG-VCSEL的I - P特性與在室溫相比未發生明顯衰退，在高溫90 ℃的情況下，仍可滿足數據通信系統對器件輸出功率的要求。

圖5 20 ℃到90 ℃范圍內NSPG-VCSEL的電流—功率曲線

接下來我們以NSPG-VCSEL在微型原子鐘的應用為例，研究其激射波長在高溫工作環境下的穩定性，圖6所示為NSPG-VCSEL上下DBR的反射譜線。在室溫環境下激射波長在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）激射波長達到894.62 nm。因此，在高溫工作環境中，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 光柵建模結構

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，FWHM）約為0.853 μm，從而說明了加會聚光柵后器件具有優越的光束會聚功能。

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，實現消光比＞30 dB，光功率達到1.997 mW。NSPG-VCSEL與其他基于亞波長光柵結構的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結構的20 dB相比具有很大幅度提升，說明該結構具有優越的偏振分束功能，有利于器件的高效集成，降低了器件集成的復雜度與成本，在微光學集成系統以及微光機電系統具有很好的應用前景。

圖9 出射光的電場強度分布

5結論

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，實現了器件在20~90 ℃范圍內基本工作性能保持穩定。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，對偏振光實現了良好的會聚效果。滿足了微型原子鐘、軍事通信等領域對激光器波長以及出光信號的要求，為下一代微型原子鐘、軍事通信等的發展提供了良好的理論基礎。