基于偏振測量的VCSEL激光器閾值行為研究

石 凡，崔永順，趙 環(huán)，王暖讓，方維海，楊仁福，年 豐，馮克明

(1.北京無線電計量測試研究所，北京 100039;

2.計量與校準技術重點實驗室，北京 100039)

基于偏振測量的VCSEL激光器閾值行為研究

石 凡1，2，崔永順1，2，趙 環(huán)1，2，王暖讓1，2，方維海1，2，楊仁福1，2，年 豐1，2，馮克明1，2

(1.北京無線電計量測試研究所，北京 100039;

2.計量與校準技術重點實驗室，北京 100039)

設計構建了垂直腔面發(fā)射激光器偏振測試系統，利用該測試系統研究了激光器不同偏振模式的閾值行為特點。激光器的輸出光隨著驅動電流的增大將會出現P偏振以及S偏振兩種相互正交的偏振分量，并且兩者具有不同的工作閾值;進一步依據測得的閾值點將激光器分為三個工作區(qū)域，通過對非偏振及偏振測試結果的比較分析得出:垂直腔面發(fā)射激光器的非偏振測量中觀測到的工作閾值點體現的是P偏振分量的閾值點;激光器S偏振分量的閾值需要通過偏振測量才能明顯觀測到;P偏振與S偏振分量閾值電流之間的工作區(qū)域具有最好的線偏振度。本文的研究為垂直腔面發(fā)射激光器的未來研制測試工作和更好應用夯實了基礎。

垂直腔面發(fā)射激光器;偏振測試系統;閾值行為;工作特性

1 引 言

垂直腔面發(fā)射激光器［1－5］(vertical cavity surface emitting laser，VCSEL)是一種基于半導體技術的小型化激光器，與傳統激光系統相比具有低閾值、單縱模工作、動態(tài)調制頻率高、易實現二維集成等優(yōu)點，在相干布居囚禁(coherent population trapping)原子頻標、光通信、光互聯、空間技術、圖像信號處理等技術領域有著十分廣泛的應用前景［6－13］。

作為光電系統中的激光源，VCSEL激光器工作特性的優(yōu)劣影響著系統的性能。對于一個激光器來說，閾值行為是其最基本的工作特性，并且在不同的偏振配置下激光器可能會展現出不同的行為特性，這些特性直接決定了整體光電系統的研制測試方案以及所能達到的技術指標。因此，無論在科學研究還是實際工程應用中，把握偏振測量條件下VCSEL激光器的閾值行為并理解其體現的內在機制能夠直接為相關光電系統的研制開發(fā)提供非常重要的技術支持和理論制導，擁有不可替代的核心作用。我們設計并構建了VCSEL激光器偏振測試系統，利用該系統測試研究了非偏振和偏振測量配置下VCSEL激光器不同偏振模式的閾值行為，并根據測試結果進行了進一步比較分析，討論了VCSEL激光器在不同工作區(qū)域內的特征，為VCSEL激光器未來的研制測試工作以及在工程領域的更好應用夯實了基礎。

2 實驗配置

實驗測試系統配置如圖1所示，選用的VCSEL激光器的中心波長為795 nm，輸出光束形狀為錐形光。首先，利用基于FPGA的驅動電路系統使VCSEL激光器進入工作狀態(tài)，系統的驅動電流可以在0～3 mA之間連續(xù)調諧。進一步通過電壓電流檢測系統實時測量并記錄VCSEL激光器的實際工作電流以及工作電壓，可以由該檢測系統得到VCSEL激光器的電壓－電流(V－I)變化趨勢。

VCSEL激光器的輸出光束通過一個準直透鏡形成準直光束，隨后，通過操作復位鏡使準直光束發(fā)生反射行為或是直行通過，當復位鏡處于直立狀態(tài)時，圖1中的有效實驗測試系統為長虛線框Ⅰ內所示裝置，實驗測試系統為非偏振測量配置，準直光束經過復位鏡反射后由聚焦透鏡聚焦至光電探測器上，由光電探測器直接測量得到VCSEL激光器的總輸出光功率，調整驅動電流可以得到VCSEL激光器的總輸出光功率隨驅動電流的變化趨勢;當復位鏡處于放倒狀態(tài)時，圖1中的有效實驗測試系統為短虛線框Ⅱ內所示裝置，實驗測試系統為偏振測量配置，此時利用偏振分光棱鏡(Polarization beam splitting prism，PBS)將準直光束中相互正交的P偏振光和S偏振光彼此分開，進一步通過兩組由聚焦透鏡和光電探測器構成的光功率測量裝置分別對P和S偏振模式的光功率隨驅動電流的變化趨勢進行測量。

圖1 VCSEL激光器測試系統實驗配置(長虛線框Ⅰ內所示實驗測試系統為非偏振測量配置;短虛線框Ⅱ內所示為實驗測試系統為偏振測量配置)

3 測試結果與分析

3.1 VCSEL激光器非偏振測試結果

首先利用圖1中框Ⅰ內所示的裝置測試VCSEL激光器的輸出總功率隨驅動電流的變化趨勢以及V－I曲線。圖2中所示為VCSEL激光器輸出總功率隨驅動電流的變化趨勢，由測量結果可以看出，當注入電流從0 mA開始逐漸增加時，VCSEL激光器的輸出光在開始時并無法觀測到;當注入電流增加到約0.5 mA后，輸出光總功率急劇增加，這個電流稱為閾值電流，用Ith表示;在驅動電流繼續(xù)增大時，輸出光總功率增速將會放緩。圖3中所示為VCSEL激光器的工作電壓與驅動電流之間的變化關系，結果顯示VCSEL激光器的端電壓V隨注入電流I的增加而迅速上升，然后趨于緩和平穩(wěn)。

圖2 VCSEL激光器輸出總功率隨驅動電流的變化趨勢

圖3 VCSEL激光器的工作電壓隨驅動電流的變化趨勢

3.2 VCSEL激光器偏振測試及比較分析

采用圖1中框Ⅱ內所示裝置對VCSEL激光器進行偏振測試，并結合非偏振測試結果比較分析S和P偏振分量的工作特性。兩個偏振分量的輸出光功率隨驅動電流的變化趨勢如圖4所示。可以看出，VCSEL激光器的輸出光隨著驅動電流的增大將會出現P偏振分量和S偏振分量兩種相互正交的偏振光，并且具有不同的工作閾值。隨著驅動電流的增加，P偏振分量首先達到閾值點，閾值約為0.5 mA，當超過閾值點后，其光輸出功率隨電流的增長而快速上升，隨后慢慢趨于平穩(wěn);當驅動電流達到約1.7 mA時，S偏振分量達到閾值，超過閾值點后光輸出功率迅速增大，隨后趨于平穩(wěn)。雖然P偏振分量與S偏振分量的輸出功率隨驅動電流的變化趨勢很類似，但是其工作閾值點具有明顯差異。通過圖2中曲線可以知道VCSEL激光器整體輸出光的工作閾值為0.5 mA，與P偏振分量的閾值基本一致。這個現象說明，圖1中所示的閾值點實際上體現的是P偏振分量的閾值點，當驅動電流加大到該點后首先出現的是P偏振光而并無S偏振分量，必須在更大的電流激勵下S偏振分量才會出現。通過比較還可以發(fā)現，如果不采取圖1中框Ⅱ所示的偏振測量方式，而僅通過框Ⅰ所示的非偏振測量系統得到的變化趨勢圖將很難觀測到S偏振光的閾值行為特點和相應的功率隨驅動電流的變化趨勢。

圖4 P與S偏振分量的輸出功率隨驅動電流的變化趨勢

根據偏振測量得到的VCSEL激光器的閾值行為特性，可以進一步針對VCSEL激光器工作電流在實際使用中的選擇進行分析。為了后續(xù)討論的清晰明確，我們將圖4中所示的測試結果以P偏振分量和S偏振分量的閾值點Ith(P)和閾值點Ith(S)為參考點，把整個變化趨勢圖按照驅動電流由弱至強的變化依次劃分為(a)、(b)、(c)三個工作區(qū)域。其中，工作區(qū)域(a)指的是0 mA～Ith(P)之間的部分，在該工作區(qū)域內，雖然VCSEL激光器的端電壓將會隨著驅動電流有所變化，但是任何一種偏振形式的光都無法產生，VCSEL激光器處于不工作的狀態(tài)。(b)區(qū)域為Ith(P)～Ith(S)之間的區(qū)域，在該區(qū)域內，P偏振光達到工作閾值電流，進入工作狀態(tài)，而S偏振光尚未開啟，此時VCSEL激光器的出射光為線偏振光。在實際使用過程中，在需要提供質量較好的線偏振光時，則必須使VCSEL激光器工作于(b)工作區(qū)域。(c)區(qū)域為Ith(S)以上的區(qū)域，在進入該區(qū)域后，由于VCSEL激光器的兩種相互正交的偏振光同時處于開啟的狀態(tài)，所以使得整體輸出光慢慢偏離線偏振態(tài)，并且兩個正交分量之比隨著工作電流改變，線偏度隨工作電流的增大而減小。但是，在另一方面，VCSEL激光器在該工作區(qū)域內具有比其他區(qū)域更強的輸出功率，可以為光電系統提供更高的輸出光強度。因此，對于光通信、新型原子頻標、光電集成等對偏振度及光輸出功率有明顯依賴的研究領域，必須在研制測試和使用中根據偏振測量得到的VCSEL激光器閾值行為特性選擇合適的工作區(qū)域，達到優(yōu)化設計和提升光電系統性能指標的目的。

4 總結

設計構建了VCSEL激光器偏振測試系統，并利用該測試系統研究了VCSEL激光器的工作特性和不同偏振模式的閾值行為。VCSEL激光器的輸出光隨著驅動電流的增大將會出現S偏振和P偏振兩種相互正交的偏振分量，并且兩者具有不同的工作閾值Ith(P)和Ith(S)，分別約為0.5 mA和1.7 mA。根據閾值點Ith(P)和Ith(S)可以將VCSEL激光器分為三個工作區(qū)域，對測試結果進行比較分析可以得到:VCSEL激光器的非偏振測量中得到的工作閾值點Ith實際體現的是P偏振分量的閾值點Ith(P);對比分析VCSEL激光器的偏振與非偏振測量，結果表明非偏振測量無法明顯觀測到S偏振分量的閾值，必須通過偏振測量才能明顯觀測到其閾值行為;此外，P偏振與S偏振分量閾值電流之間的工作區(qū)域具有最好的線偏振度，因此，需要根據實際應用需求選擇最適合的驅動電流。本文的研究內容可以應用在VCSEL激光器的研發(fā)測試以及光通信、新型原子頻標、空間技術、光互聯和光電集成等需要使用VESEL激光器、并對其光偏振依賴性很強的研究領域，為VCSEL激光器未來的研制測試工作和的更好應用夯實了基礎。

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Study on the threshold behavior of a VCSEL based on polarization test system

SHIFan1，2，CUIYong-shun1，2，ZHAO Huan1，2WANG Nuan-rang1，2，FANGWei-hai1，2，YANG Ren-fu1，2，NIAN Feng1，2，FENG Ke-ming1，2
(1.Beijing Institute of Radio Metrology＆Measurement，Beijing 100039，China;
2.Science and Technology on Metrology and Calibration Laboratory，Beijing 100039，China)

The polarization test system for a vertical cavity surface emitting laser(VCSEL)is designed.With this test system，the threshold behaviors of VCSEL are studied.With the increase of driven current，two orthogonal polarization states are observed and their thresholds are different.According to the thresholds，theworking region of the laser is divided into three parts.The analysis based on the non-polarization and polarization experimental results show that the threshold of the experimental curve from the non-polarizationmeasurements is the threshold of P-polarized light;the threshold of the S-polarized lightof the laser is observed obviously with polarizationmeasurements;In theworking region between the thresholds of P-polarized and S-polarized light，the degree of the linear polarization is higher than other working regions.The studies of this paper set the steady basis for further researches，test，and applications of a vertical cavity surface emitting laser.

vertical cavity surface emitting laser;polarization test system;threshold behavior;working characteristic

TN248

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2014.04.00 6

1001-5078(2014)04-0378-04

石 凡(1984－)，男，工程師，博士，主要從事非線性光學及光電技術研究。E-mail:shifan_chinese@sina.com

2013-08-26

book=381,ebook=304