多横模垂直腔面发射激光器及其波长特性

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1、物理学报ActaPlays．Sin．Vo1．64，No．16(201,5)164203多横模垂直腔面发射激光器及其波长特性冰关宝璐十刘欣江孝伟刘储徐晨(北京工业大学，光电子技术省部共建教育部重点实验室，北京100124)(2015年2月9日收到；2015年3月12日收到修改稿)基于氧化限制型内腔接触垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构设计，研究了VCSEL的多横模分布及其模式波长分裂特性与氧化孔径尺寸、形状的关系．在实验基础上，通过建立有效折射率模型，并利用标量亥姆霍兹方程的迭代算法理论，分别对椭圆形氧化孔径和圆形氧化孔径VCSEL的

2、横向模式特性进行模拟研究，计算得到不同形状孔径的多横模光场分布情况，同时测量得到高阶横模多频输出光谱．研究发现，椭圆氧化孔形状不仅影响横模分布特性，还会导致每个模式的波长产生分裂，分裂值可达0．037nm．同时，随着氧化孔径的增大，波长分裂影响会逐渐减小，直至趋近于圆形氧化孔径的分布特性．研究结果为进一步实现氧化限制型VCSEL的多横模锁定提供了有益参考和借鉴．关键词：垂直腔面发射激光器，氧化孔径，横模分布，波长分裂PACS：42．55．Px，42．79．Ag，42．60．FcDOh10．7498／aps．64．164203从而影响拉

3、格朗日一高斯模式间距分布的形成．因1引言此，为了使横向模式能够更好地锁定，椭圆形氧化孔径VCSEL的横向模式分布以及相邻模式对应垂直腔面发射激光器(VCSEL)作为重要的半波长分裂的研究变得至关重要．目前，已有课题导体激光器光源之一，对促进信息社会的高速发展组开展了氧化限制型VCSEL横模特性研究，例如，和推动高密度、超快光通信技术的形成变得越来Li等【7]在实验中观测到了波长分裂的现象；Zhang越重要．特别是具有短脉冲、高重复频率的横模锁等【]研究了电光双折射效应对模式分裂的影响，解定(mode-locking，ML)VCSEL越

4、来越被人们所研释了在外加电场下两个正交方向波长的偏移的现究和关注【l12】．通过锁定VCSELs的单个或多个高象．但这些研究都没有具体考虑氧化孔形状变化带阶横模，可以使VCSEL产生皮秒级甚至飞秒级的来的影响，特别是对高阶横模的分布以及波长分裂高重复率激光，并具有相同的模式空间，可以产生计算方法的研究尚未见报道．类似光学频率梳的输出频谱，广泛应用于集成光通传统VCSEL是利用柱坐标系下的多横模速率信、全光原子钟以及光测量．但是由于面发射激光方程来研究横模场分布【9]．但是这种针对于圆形器所生长的晶体材料的各向异性，在A1GaAs氧化氧

5、化孔径的计算方法显然已经不再适用于椭圆形I~E$fL径形成过程中容易产生不规则形状，直接导氧化孔径波导结构．因此，本文在实验基础上，建致VCSEL的近场模式分布不均匀[3】．特别是为了立椭圆波导有效折射率模型，并利用Rsoft软件对减小VCSEL激光器阈值电流，人们在设计中往往VCSEL的多横模特性进行模拟分析，最终得到椭采取小尺寸氧化孔径的方法【4，引．而氧化孔径较小圆形氧化孔径多横模近场模式的二维平面分布和时，高铝组分AlGaAs层氧化速率的各向异性更为氧化孔径横截面的有效折射率分布，并与实验结果突出，所设计的圆形氧化孔径最终成为

6、椭圆形【6]，进行了对比．国家自然科学基金青年科学基金(批准号：60908012)、北京市教委面上项目(批准号：KM2O10l00O5030)和北京市属高等学校高层次人才引进与培养计划资助的课题．t通信作者．E-mail：gbl@bjut．edu．Crl◎2015中国物理学会ChinesePhysicalSocietytp：／／wulixb．hy．ac．cn物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．64，No．16(2015)1642030．06—0．1nm，比我们计算的波长间距小0．2am．g∞p／骥4实验结果与分析这是因为考虑到温

7、度影响后，氧化孔径阶跃折射率分布变为如图5所示的近似渐变折射率，(4)式图7为室温测量得到的椭圆形氧化孔径VC—中、—n的值减小，将导致波长间距值的相应SEL输出功率和电压随电流变化关系曲线，其中减小．此外，由于椭圆氧化孔径为8pm的VCSEL注入电流为5mA，椭圆氧化孔径长轴8m．从的截止频率为7．5856，多横模的截止模式可以达到图7中可以看出，5mA下VCSEL最高输出光功率LP51I因此，通过合理设计注入电流分布，并减小为0．72mW，阈值电流为0．2mA，激射中心波长为热效应影响，可以获得更高阶多横模式激射，从而850．48

8、nm．实现稳定多光频输出光谱．利用Zeiss高倍显微镜在放大1500倍下观察到VCSEL分别在2，3，4，5mA电流下的多横模近场分布，如图9所示．可以看到激光器在2mA注入电≥吕流时已经达到高阶横模的阈值电流，并形成多