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《梯形截面掩埋结构垂直腔面发射半导体激光器的横模控制》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第19卷第1期 半 导 体 学 报 Vol.19,No.11998年1月 CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSJan.,1998梯形截面掩埋结构垂直腔面发射3半导体激光器的横模控制张宇生 赵一广 陈娓兮(北京大学物理系 北京 100871)(半导体超晶格国家重点实验室 北京 100083)摘要 本文采用求解光场方程,载流子扩散方程和模式耦合方程自洽解的方法研究了具有梯形截面掩埋结构垂直腔面发射半导体激光器的横模控制.计算了掩埋限制区的倾角以及激光器有源区半径等对基模和一阶模的辐射损耗的影响.结
2、果表明,在这种结构的半导体激光器中,一阶模的辐射损耗总比基模大,因而可以很好地抑制高阶横模.增大限制区的倾角,虽然有利于实现单基模工作,但是因为基模的辐射损耗也随之增大,从而激光器的阈值电流也相应增大.对于一定的有源区半径,我们找到了不同限制区倾角时单基横模工作的注入电流区域.从而可以确定在特定的注入电流范围内实现单基横模的最佳限制区倾角.PACC:4255P,7340L1 引言垂直腔面发射半导体激光器(以下用其英文缩写VCSELs)是当前光电子领域最活跃的研究课题之一.与边发射半导体激光器比较,VCSELs具有较小的远场发散角,圆形的光斑,易于实现单纵
3、模工作,和二维集成等优点.因而,在光通信,光互联,光信号处理以及光集成元件等方面有着广泛的应用前景,引起了人们的极大兴趣.自从1977年Iga提出制作VC2[1]SELs的设想至今,对VCSELs的研究已经取得了很大的进展.室温连续工作,极低阈值[2]电流(100Lm以下)的VCSELs已相继问世.目前制作的VCSELs大多是圆形或方形的增益波导结构,出射光透过顶面或衬底.到目前为止,在VCSELs的研究中,仍然存在着几个问题急待解决.这些问题限制着[3,4]VCSELs的推广应用.其中之一是当注入电流升高时,VCSELs输出高阶横模.即使是在[5,6]
4、脉冲工作的情况下也不例外.为解决这一问题,人们曾进行了实验和理论的研究.提出了[7]一些实现单横模工作的VCSELs结构.例如使腔的横截面直径小于5Lm,或使出射窗口3国家自然科学基金资助项目,项目批准号69676027张宇生 男,1973年出生,硕士,从事垂直腔面发射激光器模式特性的实验测量和理论研究赵一广 男,副教授,从事垂直腔面发射半导体激光器以及Ë2Í族半导体量子阱方面的研究1996211222收到,1997203214定稿30 半 导 体 学 报 19卷[8]的直径小于5Lm等.理论研究表明,增益波导VCSELs高阶
5、横模的起源主要是由于注入[9～11]电流增大时有源区温度的升高以及注入载流子的空间烧孔.因为一阶模光场的峰值一[9]般在远离其中心215Lm以上,因而当腔的横截面比较小时,高阶横模不可能激射.当VC2SELs的出射窗口半径小于215Lm时,一阶模的光场峰值部分难以透过出射窗口.这一结论[12,13]已被最近我们的实验所证实.然而当VCSELs的有源区横截面和出射窗口较小时,其[14]输出光功率将受到限制.Chang等报道了一种掩埋形VCSELs,其垂直剖面呈梯形结构.即使有源区横截面直径达32Lm,在几倍阈值的注入电流下,这种激光器也能较好地实现单基横模
6、工作.这就为设计单模工作较大功率输出的VCSELs提供了可能性.然而,直到现在对这种结构VCSELs的理论研究还是缺少的.为了对这种结构的VCSELs有更深入全面的了解,搞清楚其实现单横模工作的物理机制,特别是限制区的倾角,有源区的尺寸,注入电流等对模式光场的影响是非常必要的.我们曾经用解光场方程,载流子扩散方程和热导方程自洽解的方法系统地研究了增益[9]波导VCSELs中的横模控制.本文在原来工作的基础上,结合模式耦合方法研究了具有梯形垂直截面的掩埋结构VCSELs的限制区倾角以及有源区半径等对各阶导波模式的光场向辐射模的能量转移的影响,从而研究其横模
7、控制.模式耦合方法最初主要用于计算不规则波导结构的集成光波导以及光纤中模式间的耦[15]合和能量转移.这种方法也曾被用于研究DFB激光器中前进波和后退波之间的耦[16]合.我们的计算结果表明,用这种方法研究具有梯形垂直剖面的掩埋结构VCSELs的横模控制也是行之有效的.2 理论模型2.1 激光器的结构图1所示为本文所研究的VCSELs结构.有源区由三个In0.2Ga0.8AsöGaAs应变量子阱组成,每个量子阱厚8nm.量子阱被Al0.5Ga0.5As构成的一个波长厚的限制层所包围.两个反射镜分别为1ö4波长GaAs和AlAs周期结构组成的n型和p型DB
8、R堆.其中n型DBR共2715个18-3周期(掺Be,浓度为5×10cm);p型
