795 nm 亞波長光柵耦合腔垂直腔面發射激光器的超窄線寬特性*

張福領 付麗珊 胡丕麗 韓文杰 王宏卓 張峰 關寶璐?

1) (中國電子科技集團公司第二十七研究所,鄭州 450047)

2) (北京工業大學 光電子技術教育部重點實驗室,北京 100124)

基于共振耦合腔理論,提出并設計了基于亞波長光柵耦合腔的795 nm 垂直腔面發射激光器((vertical cavity surface emitting laser,VCSEL),利用COMSOL 軟件有限元方法對多光腔耦合線寬壓窄機制和影響因素進行了詳細分析,研究發現,當光子在多耦合腔中進行諧振時,通過合理設計光柵耦合腔參數,精確調控激光器多耦合腔相位匹配,極大地促進了光譜線寬共振壓窄效應,并最終獲得了高光束質量795 nm VCSEL 激光器的超窄線寬輸出.理論結果表明,當耦合腔間隔層厚度為180 nm 時,反射光譜冷腔線寬Δλc 可以達到7 pm,為實現VCSEL 激光器kHz 量級光譜線寬輸出奠定了理論基礎.

1 引言

隨著大數據時代的來臨,光網絡信息處理不斷增加,高密度寬帶通信不斷提高,高性能垂直腔面發射激光器已成為不可或缺的核心組成部分,被廣泛地應用到光通信、3D 傳感、光互連、光計算和醫療等領域中[1?6].特別是隨著原子鐘、原子陀螺儀及光泵磁力儀等高新技術領域的不斷發展[7?9],超窄線寬高光束質量VCSEL 越來越成為人們關注的熱點[10?12].目前,為了實現VCSEL 激光器窄線寬光譜輸出,通常采用減小線寬展寬因子和增加激光器共振腔長等方法[13],例如,Moller 等[14]在高頻電流調制下減小VCSEL 的線寬增強因子,獲得了70 MHz 線寬輸出.為了進一步壓窄線寬,Serkland等[15]通過增加VCSEL 共振腔有效腔長,將VCSEL線寬由50 MHz 減小到23 MHz.同時,人們還采用外腔反射鏡結構設計,比如VCSEL 與凹面反射鏡相結合,形成了穩定的長光學諧振腔,線寬可以壓窄到20 kHz[16],而 Mizunami 等[17]將光纖布拉格光柵作為外腔反饋,使其與VCSEL 相互耦合,經過外腔光柵的選擇性,激光器線寬可達到902 Hz.然而,雖然通過增加激光器外腔長度的方法可以實現壓窄線寬的目的,但同時也使得激光器系統的體積急劇增加,極大地降低了激光器集成度,且系統更加復雜.另一方面,外腔系統促使VCSEL 多縱模激射,隨著電流的變化往往會引起模式跳變,并需要精確控制外腔光反饋強度,以避免頻譜線寬的漂移,這也將增加外腔VCSEL 激光器的實際操作難度,而無法進一步降低器件集成度和成本.針對現有VCSEL 存在的輸出偏振不穩定、窄線寬控制困難等問題,本文提出了基于光柵耦合腔結構的窄線寬VCSEL 結構設計,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光柵耦合腔單元;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.對于導模共振光柵耦合腔而言,平面波入射經過亞波長光柵時發生衍射現象,此時往往只有零級衍射波的存在,其他的高級次衍射波成為倏逝波,與導波所支持的導模相位相互匹配發生共振;同時通過改變光柵耦合腔參數設計,可以使中心波長在耦合腔和激光器諧振腔同時滿足相位匹配,激光器多光腔相互共振耦合,從而有效減小共振波長范圍,實現共振波長的精確選擇.最終,導模共振耦合腔與垂直腔面發射激光器組合形成新的諧振腔,在同一波長處形成諧振,使得反射譜冷腔線寬壓窄到6.78 kHz,最終實現了VCSEL 激光器光譜kHz 量級超窄線寬輸出,為發展高光束質量超窄線寬VCSEL 激光器提供了理論基礎.

2 結構設計與工作原理

亞波長光柵共振耦合腔VCSEL 激光器結構示意圖如圖1 所示,其結構包括光柵共振耦合腔和VCSEL 激光器兩部分.VCSEL 激光器結構中DBR 由Al0.2Ga0.8As/Al0.9Ga0.1As 層交替生長得到,在光柵耦合腔與諧振腔之間的上DBR 生長為18對,下DBR 為34 對,有源區則由3 對Al0.28Ga0.72As/Al0.12In0.18Ga0.7As 量子阱層組成,其和上、下DBR之間為Al0.28Ga0.72As 限制層.光柵共振耦合腔中亞波長光柵層材料采用MgF2,占空比f 為0.5,間隔層和波導層分別由SiO2和HfO2組成.其中,亞波長光柵結構作為周期性衍射光學元件,當光波入射經過亞波長光柵時發生零級次衍射,而高級次衍射波將成為倏逝波,在周期介質光柵調制作用下,當倏逝波相位與耦合腔所支持的模式相位匹配時,光柵中的光場能量重新分布,并產生光柵耦合腔共振效應,從而在特定波長處實現高反射率和超窄線寬反射譜.一般來講,線寬展寬因子主要包含帶間躍遷、帶隙收縮和自由載流子吸收等對光譜線寬的影響,因此,由VCSEL 輸出光譜線寬表達式可知

圖1 亞波長光柵耦合腔VCSEL 激光器結構示意圖Fig.1.Schematic diagram of subwavelength grating coupled cavity VCSEL laser structure.

其中,α 為線寬展寬因子,ΔvST為自發輻射引起的線寬.通過Schawlow-Townes 線寬理論公式(1)可進一步表示為[18]

其中,Δλc是反射譜冷腔線寬,hv 是光子能量,P0是輸出光功率,nsp是粒子數反轉因子,η0為光輸出耦合效率.從公式(2)中可以看出,激光器輸出線寬不僅與輸出光功率P0呈反比關系,同時與反射光譜冷腔線寬Δλc呈平方關系,相比于輸出功率對線寬具有更大影響.同時,反射譜冷腔線寬Δλc與激光器諧振腔品質因子密切相關,而對于光柵耦合腔VCSEL 來說,通過優化耦合腔參數設計,可以精確調控激光器多耦合腔相位匹配,極大增強光子在多耦合腔中的共振耦合效應,并提高激光器諧振腔品質因子,因此,基于耦合腔共振效應,在諧振腔波長與耦合腔共振波長一致時,可以形成激光器光波多耦合腔有效諧振,使得反射譜線寬Δλc進一步減小,最終達到壓窄激光器線寬的作用.

3 結果與分析

圖2 為光柵周期和耦合腔間隔層對共振譜線的影響,其中,光柵厚度為175 nm,間隔層厚度為150 nm,基底層厚度為400 nm.從圖2 中可以看出,隨著光柵周期和間隔層厚度的增加,耦合腔共振波長均將發生紅移,而光柵周期增加引起的共振波長紅移比達到1.6,遠大于間隔層引起的波長紅移比0.01.同時,共振光譜線寬隨著間隔層的增加從0.12 nm 減小到0.09 nm,而隨著光柵周期的增加,光譜線寬保持在0.11 nm 不變.這說明對于795 nm 的中心波長來說,亞波長光柵周期衍射效率更大地影響了共振波長位置,而間隔層厚度更多影響了耦合腔的共振強度,進而決定了線寬壓窄程度.

圖2 光柵結構參數對共振譜線的影響 (a)改變光柵周期;(b)改變間隔層厚度Fig.2.The influence of grating structure parameters on the resonance spectrum:(a) Change the grating period;(b) change the thickness of the spacer layer.

相比于光柵耦合腔共振波長受到亞波長光柵周期影響,激光器諧振腔共振波長同樣受到多光腔耦合效應的影響,如圖3(a)所示,隨著VCSEL 限制層厚度的變化,有源區諧振波長在795 nm 處出現非線性趨勢,這是因為當有源區諧振波長與光柵耦合腔諧振波長接近時,多光腔耦合效應逐漸增強[19],使得有源區諧振波長發生紅移.為了實現激光器多光腔共振耦合,使新型795 nm VCSEL 激光器具有線寬壓窄特性,需要調控光柵耦合腔使其與激光器諧振腔共振波長一致,進而實現耦合腔相位相互匹配.光柵周期的變化將會改變光柵耦合腔的諧振波長,并出現兩個共振峰,其中一個為有源區的諧振腔共振峰,另一個為光柵耦合腔共振峰(圖3(b)插圖).如圖3(b)所示,當周期為457.447 nm時,諧振腔耦合強度最大,共振耦合波長為795 nm,且此時光柵耦合腔內部的電場值最大,也就是說其電場值的半高全寬最窄.同時,從圖3(b)中可以看出,光柵周期對有源區諧振波長影響非常小,因此,通過改變光柵周期,可以精確調控光柵耦合腔諧振波長使其與VCSEL 有源區諧振在795 nm 處高度一致,從而使得耦合腔和有源區在795 nm 處同時發生諧振,二者相位相互匹配,進而增強了光柵耦合腔在激光器中壓窄線寬的作用[20].耦合腔產生共振耦合時,其多耦合腔共振電場各自達到最大值,且各自電場值的半高全寬也達到最窄,如圖3(c)和圖3(d)所示,分別表示兩個諧振腔相互耦合之后,光柵耦合腔與有源區的電場光譜圖.

圖3 (a),(b)兩個諧振腔相互耦合的變化過程,限制層厚度與光柵周期調節使其相互耦合;(c),(d)相互耦合完成之后,不同間隔層厚度亞波長光柵VCSEL 有源區與光柵耦合腔的諧振電場分布Fig.3.(a) and (b) The variation process of the mutual coupling of the two resonant cavities,limiting the layer thickness and adjusting the grating period to make them coupled;(c) and (d) after the mutual coupling is completed,the subwavelength grating VCSEL with different spacing layer thickness is active Resonant electric field distribution of coupling cavity between zone and grating.

圖4 為在不同間隔層厚度時,光柵耦合腔與VCSEL 諧振腔相位變化、反射譜及共振電場的強度分布.從圖4 中可以看出,隨著間隔層厚度從60 nm 增加到180 nm,激光器在795 nm 共振中心波長處的相位斜率變化越來越大,從60 nm 時的3.52 rad/nm 增加到180 nm 時的3831.17 rad/nm,使得滿足激光器耦合腔相位匹配的共振波長范圍進一步減小,表明耦合腔激光器的模式選擇能力被逐漸提高[21?23].另一方面,從反射譜也可以看出,激光器對耦合共振波長的透射越來越強,反射率從64.76%減小到4.29%,中心波長處透射率趨近于100%,反射譜的線寬從0.064 nm 減小到0.007 nm,線寬減小一個數量級,達到了pm 量級.隨著間隔層厚度的增大,在有源區的共振電場值也進一步增大,表明諧振腔能夠更加精確地對795 nm 的光波進行選擇.比較不同間隔層有源區的電場值,間隔層為180 nm 的光柵耦合腔VCSEL 在795 nm 處的電場值比間隔層為60 nm 的大約大了一個數量級.有源區的電場光譜圖與光柵耦合腔的變化趨勢幾乎一樣,隨著間隔層厚度的增加,795 nm 波長處的電場值越來越大,在耦合腔內發生的共振現象也越來越強.光柵耦合腔VCSEL 的諧振腔品質因子Q 與耦合腔間隔層關系如圖5 所示,在沒有耦合腔作用的情況下,VCSEL 的Q 值處于103量級,為普通VCSEL 激光器Q 值平均水平.當間隔層厚度為60 nm 時,Q 因子上升到104量級,隨著耦合腔間隔層厚度的增加,耦合腔共振效應越來越顯著,Q 因子逐漸增大;當間隔層厚度增加到初始值的3 倍時,Q 因子達到105量級,比普通VCSEL 腔增加了兩個量級.

圖4 間隔層厚度不同時,基于導模共振耦合腔的VCSEL 的冷腔反射譜的半高全寬與光場分布圖 (a) db=60 nm;(b) db=120 nm;(c) db=150 nm;(d) db=180 nmFig.4.Full width at half maximum and optical field distribution of cold cavity reflection spectrum of VCSEL based on guided mode resonant coupled cavity when the thickness of the spacer layer is different:(a) db=60 nm;(b) db=120 nm;(c) db=150 nm;(d) db=180 nm.

圖5 光柵耦合腔VCSEL 品質因子Q 與間隔層厚度變化關系Fig.5.The relationship between the quality factor Q of the grating coupled cavity VCSEL and the thickness of the spacer layer.

VCSEL 激光器輸出光譜線寬不僅受到諧振腔冷腔線寬和線寬展寬因子的影響,同時與激光器輸出光功率相關,根據Schawlow-Townes 線寬理論公式(1)可以得到光譜線寬與諧振腔冷腔線寬和輸出光功率的變化關系,如圖6 所示,其中光子能量hv ≈ 1.5 eV,自發發射因子nsp≈ 2.6,有源區材料的線寬增強因子取α ≈ 3[24].通過理論計算分析并與光柵耦合腔模擬結果對比可以得到:對于普通VCSEL 激光器,諧振腔冷腔線寬Δλc 一般大于0.2 nm,對于輸出光功率小于1 mW 的VCSEL激光器,其輸出光譜線寬可達到1 GHz 以上;而對于基模VCSEL 激光器諧振腔來說,線寬Δλc會進一步減小,輸出光譜線寬將小于GHz,達到幾十MHz.但是從圖6 可以看出,需要進一步增加光輸出功率,甚至達到百mW 以上,光譜線寬才能小于MHz.然而,研究表明,對于小孔徑單模VCSEL激光器而言,實現百mW 輸出往往非常困難[19].與此同時,對于光柵耦合腔VCSEL 來說,由于在共振耦合腔效應作用下,其諧振腔冷腔線寬可以達到0.01 nm 以下,如圖6 所示,在相同輸出光功率10 mW 的情況下,當光柵耦合腔VCSEL 的Δλc為0.064 nm 時,激光器輸出光譜線寬達到1.811 MHz,比傳統VCSEL 線寬小2 個數量級以上.如上所述,在光柵共振耦合腔作用下,當Δλc達到0.007 nm時,激光器輸出光譜線寬可以減小到21.67 kHz,線寬壓窄達98.8%.同樣,對于小功率輸出情況下,如當輸出功率為100 μW 時,其輸出光譜線寬也在1 MHz 左右,遠小于傳統基模VCSEL 的光譜線寬,因此,VCSEL 在小功率輸出情況下也可以獲得超窄線寬的高光束質量輸出成為可能.

圖6 光柵耦合腔VCSEL 輸出線寬與光功率關系Fig.6.The relationship between the output line width of the grating coupled cavity VCSEL and the optical power.

4 結論

隨著原子鐘、原子陀螺儀及光泵磁力儀等高新技術領域的不斷發展,超窄線寬高光束質量VCSEL越來越成為人們的研究熱點.本文基于多耦合腔共振理論,提出并設計了光柵耦合腔795 nm VCSEL激光器,利用有限元分析軟件COMSOL Multiphysics詳細研究了光柵周期、耦合腔間隔層、激光器限制層等對耦合腔共振波長和光譜線寬的影響,精確調控耦合腔光波相位匹配,實現了光柵耦合腔與VCSEL 諧振腔的共振耦合,進一步增強了諧振腔對波長的精確選擇,得到了更窄線寬的VCSEL 反射譜.光柵耦合腔VCSEL 線寬達到了kHz 量級,與傳統激光器相比,減小了3 個數量級以上,為實現超窄線寬VCSEL 激光器奠定了良好的理論基礎.