寬范圍可調(diào)諧內(nèi)腔液晶垂直腔面發(fā)射激光器設(shè)計(jì)與研究

李保志， 鄒永剛， 王小龍， 裴麗娜， 石琳琳*， 李鵬濤， 關(guān)寶璐*

(1. 長春理工大學(xué) 高功率半導(dǎo)體激光國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長春 130022；2. 北京工業(yè)大學(xué) 光電子技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124)

1 引 言

隨著信息化時(shí)代科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，高性能垂直腔面發(fā)射激光器已成為面向高速高密度集成的光互聯(lián)核心器件。其具有自身獨(dú)特的圓形對稱光斑、小體積、低功耗和高相干度陣列集成等特點(diǎn)，使其具有重要的商業(yè)和軍事價(jià)值并被大量生產(chǎn)，被廣泛地應(yīng)用到光互連、光計(jì)算、原子鐘和生物醫(yī)療等領(lǐng)域中[1-4]。目前，高性能VCSEL已逐步應(yīng)用于多維光互聯(lián)的局域網(wǎng)單/多模光纖傳送數(shù)字通信和多維光交換的密集波分復(fù)用(DWDM)系統(tǒng)等全光網(wǎng)絡(luò)。另一方面，人們對核心光源性能的要求也越來越高，例如，在激光產(chǎn)品研發(fā)(激光鼠標(biāo)、激光電視、激光雷達(dá))、醫(yī)學(xué)成像掃描等新領(lǐng)域中，為了獲得更加靈活智能的高質(zhì)量產(chǎn)品，往往還要求激光光源偏振、可控輸出。因此，高性能VCSEL波長調(diào)諧和偏振控制集成技術(shù)的研究成為高性能半導(dǎo)體光源領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。目前，實(shí)現(xiàn)波長可調(diào)諧VCSEL通常采用微機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過靜電力、壓電及熱電效應(yīng)等方法調(diào)諧波長。1995年，Chang-Hasnain等首次制備出上DBR反射鏡為懸臂梁結(jié)構(gòu)的微機(jī)械可調(diào)諧VCSEL[5]，當(dāng)電壓達(dá)到5.7 V時(shí)，波長調(diào)諧范圍為15 nm。1999年，Vakhshoori等研制出中心波長為1 550 nm、調(diào)諧范圍為50 nm的可調(diào)諧VCSEL，頂部介質(zhì)薄膜由靜電力驅(qū)動，所加電壓范圍為0～39 V[6]。2002年，Syrbu等研制出輸出功率為1 mW、調(diào)諧范圍為38 nm、調(diào)諧電壓為4 V。采用光泵浦的可調(diào)諧VCSEL[7]。2004年，Syrbu等又將輸出功率提高到2 mW，在調(diào)諧電壓小于4 V時(shí)，調(diào)諧范圍減小到32 nm[8]。目前，采用光泵浦的微機(jī)械可調(diào)諧VCSEL的調(diào)諧范圍已經(jīng)達(dá)到了150 nm。上述微機(jī)械可調(diào)諧VCSEL調(diào)諧范圍較寬，但其激光輸出偏振不穩(wěn)定，波長調(diào)諧效率較低，制作工藝較復(fù)雜且對機(jī)械振動敏感。

液晶在電場作用下其折射率差會發(fā)生變化。利用這一性質(zhì)，液晶材料可用來調(diào)諧激光器的出射波長[9-11]。針對現(xiàn)有VCSEL存在的輸出偏振不穩(wěn)定和波長調(diào)諧效率低等關(guān)鍵問題，本文提出了一種新型基于液晶微納結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧VCSEL結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。將液晶置于諧振腔內(nèi)作為電光調(diào)諧材料，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)波長調(diào)諧。該新結(jié)構(gòu)器件由兩部分組成：一部分為具有光波相位調(diào)控功能的液晶微納光控單元；一部分為“半結(jié)構(gòu)”的VCSEL結(jié)構(gòu)，由頂部DBR、有源區(qū)光縱向耦合結(jié)構(gòu)和底部DBR組成。率先將液晶微納光控單元通過微加工技術(shù)嵌入到距有源區(qū)不足500 nm的光腔內(nèi)部，在增加有效腔長壓窄線寬的同時(shí)，使其作為量子化的近場增強(qiáng)相位控制光學(xué)元件。基于液晶各向異性電控雙折射效應(yīng)，可以有效實(shí)現(xiàn)激光偏振波長穩(wěn)定調(diào)諧操作。相比于GaAs/AlGaAs等半導(dǎo)體材料制備中的微機(jī)械技術(shù)，液晶材料不受激光器加工過程中腐蝕的影響，大大提高了窄線寬VCSEL的可靠性；同時(shí)實(shí)現(xiàn)了激光器內(nèi)部偏振增益各向異性，可使TE/TM偏振基態(tài)對應(yīng)的波長位置有效分離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大范圍波長偏振穩(wěn)定控制。此外，液晶微腔與VCSEL半導(dǎo)體材料連接界面處，在液晶“形式雙折射”效應(yīng)的作用下，半導(dǎo)體-空氣界面的反射率由30%下降到10%，從而允許有源區(qū)內(nèi)更多的光場能量透射入液晶微腔，使相位耦合因子接近1。因此，在靜電場作用下液晶微腔對激光器內(nèi)部光場能量具有更強(qiáng)的調(diào)制作用，器件調(diào)諧特性近似為線性調(diào)諧，從而大大提高液晶微腔的調(diào)諧效率。研究結(jié)果表明，我們所設(shè)計(jì)的內(nèi)腔液晶可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了激光單偏振穩(wěn)定輸出，調(diào)諧范圍達(dá)到31 nm，調(diào)諧效率達(dá)到10 nm/V，為發(fā)展基于偏振激發(fā)的新一代液晶超窄線寬VCSEL提供了科學(xué)依據(jù)和新型器件制備依據(jù)。

2 可調(diào)諧LC-VCSEL整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用Rsoft LaserMOD激光器仿真軟件設(shè)計(jì)內(nèi)腔液晶可調(diào)諧VCSEL的整體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。LC-VCSEL的中心波長為852 nm，GaAs襯底的厚度為250 nm，其下是底部電極。由襯底向上依次為36對下DBR反射鏡，每對厚度分別為60 nm和68 nm的Al0.1Ga0.9As、Al0.9Ga0.1As材料。其上是有源區(qū)，包括3個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)，阱層材料是Al0.12In0.18Ga0.7As，厚度是7 nm；壘層材料是Al0.2-Ga0.8As，厚度為15 nm。Al0.98Ga0.02As氧化限制層厚度是30 nm。液晶微腔由ITO層和液晶層組成。其上n型DBR反射鏡由21對Al0.9Ga0.1As、Al0.1Ga0.9As材料交替構(gòu)成，同時(shí)作為頂部調(diào)諧電極。

圖1 可調(diào)諧LC-VCSEL整體結(jié)構(gòu)示意圖

nx=no,

(1)

(2)

液晶非尋常光折射率ne=1.75，尋常光折射率no=1.5。未加電壓時(shí)，液晶分子處于平行方向并有很小的預(yù)傾角，液晶的有效折射率nE近似等于非尋常光折射率ne。加電壓后，液晶分子向電場方向傾斜，從水平方向逐漸變?yōu)榇怪狈较?，液晶的有效折射率nE也從非尋常光折射率ne變?yōu)閷こ９庹凵渎蕁o,激射波長變化表現(xiàn)為藍(lán)移。兩種光波的波長變化[14]可表示為：

(3)

(4)

以上兩式中，λe、λo分別是非尋常光的輸出波長和尋常光的輸出波長，La、na分別是有源區(qū)的厚度和折射率，Llc是液晶的厚度，nE是液晶的有效折射率，no是尋常光的折射率。VCSEL輸出激光的波長主要由其腔模決定[15]。腔模位置可以通過光學(xué)傳輸矩陣計(jì)算VCSEL整體結(jié)構(gòu)的反射譜獲得。對于多層膜系結(jié)構(gòu)，激光通過k層膜的傳輸矩陣表達(dá)式[16]如下所示:

(5)

式中B、C是傳輸矩陣元，nj是第j層膜的折射率，δj是通過第j層膜后光場的相位變化，nk+1是出射介質(zhì)的折射率。正入射光場經(jīng)過第j層膜后相位變化為

(6)

式中αj和dj分別是第j層膜的吸收系數(shù)和厚度。多層膜系在表面界面處的反射率為

(7)

式中n0為入射介質(zhì)的折射率。從上式可以得出各個(gè)不同波長的反射率特性即VCSEL的反射譜，從而可以確定其腔模位置和偏振調(diào)諧效率。

3 結(jié)果與討論

利用偏光干涉原理，在較小電壓范圍內(nèi)，可以測出液晶折射率與電壓的變化關(guān)系[17]。當(dāng)一束入射光經(jīng)過液晶后，非尋常光e光和尋常光o光的相位差為

δ=2πdΔn/λ，

(8)

雙折射率則為

Δn=δλ/2πd,

(9)

其中，d表示液晶盒的厚度，λ表示入射光的波長。雙折射率為e光折射率與o光折射率的差值。圖2是E7液晶雙折射率與電壓的變化關(guān)系。從圖中可以看出，所采用的E7液晶閾值電壓為1 V，當(dāng)調(diào)諧電壓從1 V增加到3 V時(shí)，雙折射率變化較明顯，Δn達(dá)到0.2。當(dāng)調(diào)諧電壓大于10 V時(shí)，由于液晶分子的旋轉(zhuǎn)力矩與電場的旋轉(zhuǎn)力矩逐漸達(dá)到平衡，使得雙折射率變化曲線趨于平緩，達(dá)到飽和。

圖2 E7液晶電控雙折射率與電壓的變化關(guān)系

圖3是液晶折射率與所對應(yīng)的輸出波長的關(guān)系圖，液晶層設(shè)計(jì)厚度為1.5 μm?？紤]到液晶的吸收和損耗[18]，模擬中取吸收系數(shù)a=10 cm-1。o偏振光對應(yīng)的波長與VCSEL的中心波長一致，波長大小為852 nm。從圖中可以看出，隨著液晶微腔折射率的變化，激光器e偏振光的波長被有效調(diào)諧。當(dāng)液晶微腔折射率從1.75減小到1.5時(shí)，激光器偏振輸出波長從852 nm藍(lán)移到821 nm。

圖3 波長與液晶折射率的關(guān)系

VCSEL激光器偏振波長與調(diào)諧電壓關(guān)系如圖4所示，當(dāng)調(diào)諧電壓從0 增加到3 V時(shí)，由圖4可知，e偏振光的折射率將逐漸減小，因此，液晶微腔的調(diào)諧使得VCSEL激光器所對應(yīng)的偏振光中心波長從852 nm調(diào)諧到821 nm，波長藍(lán)移范圍達(dá)到31 nm。同時(shí)，由于液晶分子的旋轉(zhuǎn)對o偏振光的折射率沒有影響，因此o偏振光的波長不隨電壓的增加而發(fā)生變化，從而在整個(gè)調(diào)諧范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)單偏振波長調(diào)諧。圖5是所加調(diào)諧電壓與激光器不同偏振光的閾值增益的變化關(guān)系，從圖中可知，o偏振光的閾值增益保持225.6 cm-1不變，而e偏振光的閾值增益先減小后增大，同時(shí)在調(diào)諧電壓逐步增加的過程中，即在VCSEL激光器調(diào)諧范圍內(nèi)，o偏振光的閾值增益始終大于e偏振光的閾值增益，從而使得e偏振光具有更大的競爭激射優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)單偏振激射。

圖4 調(diào)諧電壓對波長的影響

圖5 調(diào)諧電壓對閾值增益的影響

圖6進(jìn)一步給出了不同液晶微腔厚度和折射率變化與LC-VCSEL調(diào)諧波長變化范圍的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著液晶微腔有效折射率的減小，激射波長逐漸藍(lán)移。與此同時(shí)，液晶微腔厚度的設(shè)計(jì)對波長調(diào)諧范圍的影響也非常大，如圖6所示，當(dāng)液晶層厚度增加時(shí)，隨著波長相位的變化而呈周期性調(diào)諧，偏振波長調(diào)諧范圍隨之減小，這是由于VCSEL激光器的縱模間距與有效腔長成反比，當(dāng)液晶微腔厚度較小時(shí)，激光器本身縱模間距較大，波長調(diào)諧范圍由液晶折射率變化限制。隨著液晶微腔厚度的增加，VCSEL激光器縱模間距減小，波長調(diào)諧范圍將不僅由液晶折射率變化決定，同時(shí)受到縱模間距的限制。如當(dāng)液晶微腔厚度為4.5 μm時(shí)，波長調(diào)諧范圍減小到了10 nm，而當(dāng)液晶微腔厚度為1.5 μm時(shí)，波長調(diào)諧范圍達(dá)到了31 nm。與此同時(shí)，液晶層厚度的減小也會導(dǎo)致光波吸收和散射的減小，進(jìn)一步降低器件損耗。

圖6 調(diào)諧波長隨液晶折射率和厚度的變化關(guān)系

4 結(jié) 論

將液晶置于垂直腔面發(fā)射激光器諧振腔內(nèi)，設(shè)計(jì)了可調(diào)諧VCSEL的完整結(jié)構(gòu)。該新型結(jié)構(gòu)由兩部分組成：一部分為“半結(jié)構(gòu)”的VCSEL結(jié)構(gòu)，包括高反射率介質(zhì)布拉格反射鏡和一個(gè)852 nm量子阱有源發(fā)光區(qū)域；一部分為具有光波相位調(diào)控功能的液晶微納光控單元。在靜電場作用下，液晶微腔對激光器內(nèi)部光場能量具有更強(qiáng)的調(diào)制作用，器件調(diào)諧特性近似為線性調(diào)諧，從而大大提高了液晶微腔的調(diào)諧效率。獲得最大31 nm的連續(xù)波長調(diào)諧范圍以及激光單偏振穩(wěn)定輸出，調(diào)諧效率大于10 nm/V。