寬范圍可調諧內腔液晶垂直腔面發射激光器設計與研究

李保志， 鄒永剛， 王小龍， 裴麗娜， 石琳琳*， 李鵬濤， 關寶璐*

(1. 長春理工大學 高功率半導體激光國家重點實驗室， 吉林 長春 130022；2. 北京工業大學 光電子技術教育部重點實驗室， 北京 100124)

1 引 言

隨著信息化時代科學技術的高速發展，高性能垂直腔面發射激光器已成為面向高速高密度集成的光互聯核心器件。其具有自身獨特的圓形對稱光斑、小體積、低功耗和高相干度陣列集成等特點，使其具有重要的商業和軍事價值并被大量生產，被廣泛地應用到光互連、光計算、原子鐘和生物醫療等領域中[1-4]。目前，高性能VCSEL已逐步應用于多維光互聯的局域網單/多模光纖傳送數字通信和多維光交換的密集波分復用(DWDM)系統等全光網絡。另一方面，人們對核心光源性能的要求也越來越高，例如，在激光產品研發(激光鼠標、激光電視、激光雷達)、醫學成像掃描等新領域中，為了獲得更加靈活智能的高質量產品，往往還要求激光光源偏振、可控輸出。因此，高性能VCSEL波長調諧和偏振控制集成技術的研究成為高性能半導體光源領域中的研究熱點和難點。目前，實現波長可調諧VCSEL通常采用微機械系統(MEMS)結構設計，通過靜電力、壓電及熱電效應等方法調諧波長。1995年，Chang-Hasnain等首次制備出上DBR反射鏡為懸臂梁結構的微機械可調諧VCSEL[5]，當電壓達到5.7 V時，波長調諧范圍為15 nm。1999年，Vakhshoori等研制出中心波長為1 550 nm、調諧范圍為50 nm的可調諧VCSEL，頂部介質薄膜由靜電力驅動，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、調諧范圍為38 nm、調諧電壓為4 V。采用光泵浦的可調諧VCSEL[7]。2004年，Syrbu等又將輸出功率提高到2 mW，在調諧電壓小于4 V時，調諧范圍減小到32 nm[8]。目前，采用光泵浦的微機械可調諧VCSEL的調諧范圍已經達到了150 nm。上述微機械可調諧VCSEL調諧范圍較寬，但其激光輸出偏振不穩定，波長調諧效率較低，制作工藝較復雜且對機械振動敏感。

液晶在電場作用下其折射率差會發生變化。利用這一性質，液晶材料可用來調諧激光器的出射波長[9-11]。針對現有VCSEL存在的輸出偏振不穩定和波長調諧效率低等關鍵問題，本文提出了一種新型基于液晶微納結構的可調諧VCSEL結構設計。將液晶置于諧振腔內作為電光調諧材料，進而實現波長調諧。該新結構器件由兩部分組成：一部分為具有光波相位調控功能的液晶微納光控單元；一部分為“半結構”的VCSEL結構，由頂部DBR、有源區光縱向耦合結構和底部DBR組成。率先將液晶微納光控單元通過微加工技術嵌入到距有源區不足500 nm的光腔內部，在增加有效腔長壓窄線寬的同時，使其作為量子化的近場增強相位控制光學元件。基于液晶各向異性電控雙折射效應，可以有效實現激光偏振波長穩定調諧操作。相比于GaAs/AlGaAs等半導體材料制備中的微機械技術，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；同時實現了激光器內部偏振增益各向異性，可使TE/TM偏振基態對應的波長位置有效分離，進而實現大范圍波長偏振穩定控制。此外，液晶微腔與VCSEL半導體材料連接界面處，在液晶“形式雙折射”效應的作用下，半導體-空氣界面的反射率由30%下降到10%，從而允許有源區內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部光場能量具有更強的調制作用，器件調諧特性近似為線性調諧，從而大大提高液晶微腔的調諧效率。研究結果表明，我們所設計的內腔液晶可調諧垂直腔面發射激光器結構實現了激光單偏振穩定輸出，調諧范圍達到31 nm，調諧效率達到10 nm/V，為發展基于偏振激發的新一代液晶超窄線寬VCSEL提供了科學依據和新型器件制備依據。

2 可調諧LC-VCSEL整體結構設計

利用Rsoft LaserMOD激光器仿真軟件設計內腔液晶可調諧VCSEL的整體結構，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，包括3個量子阱結構，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材料交替構成，同時作為頂部調諧電極。

圖1 可調諧LC-VCSEL整體結構示意圖

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，液晶分子處于平行方向并有很小的預傾角，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，從水平方向逐漸變為垂直方向，液晶的有效折射率nE也從非尋常光折射率ne變為尋常光折射率no,激射波長變化表現為藍移。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傳輸矩陣計算VCSEL整體結構的反射譜獲得。對于多層膜系結構，激光通過k層膜的傳輸矩陣表達式[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是出射介質的折射率。正入射光場經過第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為入射介質的折射率。從上式可以得出各個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諧效率。

3 結果與討論

利用偏光干涉原理，在較小電壓范圍內，可以測出液晶折射率與電壓的變化關系[17]。當一束入射光經過液晶后，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系。從圖中可以看出，所采用的E7液晶閾值電壓為1 V，當調諧電壓從1 V增加到3 V時，雙折射率變化較明顯，Δn達到0.2。當調諧電壓大于10 V時，由于液晶分子的旋轉力矩與電場的旋轉力矩逐漸達到平衡，使得雙折射率變化曲線趨于平緩，達到飽和。

圖2 E7液晶電控雙折射率與電壓的變化關系

圖3是液晶折射率與所對應的輸出波長的關系圖，液晶層設計厚度為1.5 μm。考慮到液晶的吸收和損耗[18]，模擬中取吸收系數a=10 cm-1。o偏振光對應的波長與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諧。當液晶微腔折射率從1.75減小到1.5時，激光器偏振輸出波長從852 nm藍移到821 nm。

圖3 波長與液晶折射率的關系

VCSEL激光器偏振波長與調諧電壓關系如圖4所示，當調諧電壓從0 增加到3 V時，由圖4可知，e偏振光的折射率將逐漸減小，因此，液晶微腔的調諧使得VCSEL激光器所對應的偏振光中心波長從852 nm調諧到821 nm，波長藍移范圍達到31 nm。同時，由于液晶分子的旋轉對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生變化，從而在整個調諧范圍內實現單偏振波長調諧。圖5是所加調諧電壓與激光器不同偏振光的閾值增益的變化關系，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，同時在調諧電壓逐步增加的過程中，即在VCSEL激光器調諧范圍內，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勢，實現單偏振激射。

圖4 調諧電壓對波長的影響

圖5 調諧電壓對閾值增益的影響

圖6進一步給出了不同液晶微腔厚度和折射率變化與LC-VCSEL調諧波長變化范圍的關系。從圖中可以看出，隨著液晶微腔有效折射率的減小，激射波長逐漸藍移。與此同時，液晶微腔厚度的設計對波長調諧范圍的影響也非常大，如圖6所示，當液晶層厚度增加時，隨著波長相位的變化而呈周期性調諧，偏振波長調諧范圍隨之減小，這是由于VCSEL激光器的縱模間距與有效腔長成反比，當液晶微腔厚度較小時，激光器本身縱模間距較大，波長調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，波長調諧范圍將不僅由液晶折射率變化決定，同時受到縱模間距的限制。如當液晶微腔厚度為4.5 μm時，波長調諧范圍減小到了10 nm，而當液晶微腔厚度為1.5 μm時，波長調諧范圍達到了31 nm。與此同時，液晶層厚度的減小也會導致光波吸收和散射的減小，進一步降低器件損耗。

圖6 調諧波長隨液晶折射率和厚度的變化關系

4 結 論

將液晶置于垂直腔面發射激光器諧振腔內，設計了可調諧VCSEL的完整結構。該新型結構由兩部分組成：一部分為“半結構”的VCSEL結構，包括高反射率介質布拉格反射鏡和一個852 nm量子阱有源發光區域；一部分為具有光波相位調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部光場能量具有更強的調制作用，器件調諧特性近似為線性調諧，從而大大提高了液晶微腔的調諧效率。獲得最大31 nm的連續波長調諧范圍以及激光單偏振穩定輸出，調諧效率大于10 nm/V。