基于亞波長光柵的VCSEL偏振控制研究

江孝偉， 關(guān)寶璐

(1. 衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院， 浙江 衢州 324000；2. 北京工業(yè)大學(xué) 電子信息與控制工程學(xué)院， 光電子技術(shù)實驗室， 北京 100124)

基于亞波長光柵的VCSEL偏振控制研究

江孝偉1*， 關(guān)寶璐2

(1. 衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院， 浙江 衢州 324000；2. 北京工業(yè)大學(xué) 電子信息與控制工程學(xué)院， 光電子技術(shù)實驗室， 北京 100124)

為了確定亞波長光柵在微電機械系統(tǒng)(MEMS)波長可調(diào)諧VCSEL不同位置(上DBR上表面、上DBR下表面以及內(nèi)腔)中實現(xiàn)TE和TM偏振控制的光柵參數(shù)范圍以及光柵在哪個位置時實現(xiàn)偏振控制最穩(wěn)定，通過MATLAB建立MEMS波長可調(diào)VCSEL的模型，然后計算光柵在3種位置時上反射鏡(包括空氣隙和光柵)隨光柵參數(shù)變化的反射率，以此來確定它們實現(xiàn)TE/TM穩(wěn)定偏振的光柵參數(shù)范圍(即高反射范圍內(nèi)的參數(shù))。將各自的高反射所對應(yīng)反射率減去相同光柵參數(shù)范圍內(nèi)TM/TE 低反射對應(yīng)的反射率，通過反射率差值確定光柵在哪種位置時MEMS波長可調(diào)諧VCSEL實現(xiàn)偏振是最穩(wěn)定的。最后得出的結(jié)論是光柵在上DBR下表面幾乎無法控制TM偏振，而將光柵放置于內(nèi)腔中，無論是在TE偏振控制上還是TM偏振上都是最穩(wěn)定的。在實現(xiàn)TE偏振穩(wěn)定的參數(shù)范圍內(nèi)，TE的閾值增益比TM最小少10 cm-1；而在實現(xiàn)TM偏振穩(wěn)定時，在TE偏振穩(wěn)定的參數(shù)范圍內(nèi)，TE的閾值增益比TM最小少5 cm-1。

MEMS波長可調(diào)諧VCSEL； 偏振穩(wěn)定； 亞波長光柵； MATLAB建模

1 引 言

微電機械系統(tǒng)(Micro-electro-mechanical system，MEMS)波長可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical cavity surface emitting laser，VCSEL)是最早由加州大學(xué)伯克利分校的 C. J. Chang-Hasnain[1]等人提出的，它的工作原理是將VCSEL的上反射鏡DBR(Distributed Bragg reflectors)制作成由電激勵可移動的反射鏡微機械系統(tǒng)，從而通過改變有效腔長實現(xiàn)波長的可調(diào)諧[2]。由于其不僅能夠降低商業(yè)成本而且同時具有普通VCSEL閾值電流小、圓形光斑易于與光纖耦合、體積小、功耗低等[3-4]特點而被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，如光通信[5-6]和氣體探測[7-8]等。但是，MEMS波長可調(diào)諧VCSEL也和普通VCSEL一樣具有圓柱形對稱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)而且有源區(qū)各項異性較弱，導(dǎo)致其偏振不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)跳變現(xiàn)象[9]。這在一些領(lǐng)域的應(yīng)用中是不允許出現(xiàn)的，如光通信的應(yīng)用當(dāng)中會增大誤碼率[10-11]。為此，很多學(xué)者通過使用亞波長光柵引進各向異性來實現(xiàn)偏振的穩(wěn)定。

2012年Davani等[12]為了實現(xiàn)MEMS波長可調(diào)諧VCSEL偏振的控制，提出將亞波長光柵放置于其內(nèi)腔當(dāng)中，并在實驗上得到實現(xiàn)。同年，李碩等[9]提出將亞波長光柵放置于上DBR上表面以實現(xiàn)偏振的控制，雖然其提出的是在定波長器件中放置表面光柵，但也給出了一個想法就是可以將亞波長光柵置于MEMS波長可調(diào)諧VCSEL的上DBR上表面來實現(xiàn)偏振的穩(wěn)定。Gründl等[13]于2013年將亞波長光柵置于MEMS上反射鏡的下表面，在實現(xiàn)波長調(diào)諧的同時具有穩(wěn)定的偏振。這些作者直接或間接驗證了用亞波長光柵可以實現(xiàn)MEMS波長可調(diào)諧VCSEL偏振的控制。

通過對比上面利用亞波長光柵實現(xiàn)MEMS波長可調(diào)諧VCSEL偏振控制的方法可以發(fā)現(xiàn)，3種方法中亞波長光柵都是放置于器件的不同位置當(dāng)中。本文基于光柵3種不同的位置，對3種器件結(jié)構(gòu)的偏振穩(wěn)定性進行了比較，得到了實現(xiàn)TE和TM偏振的光柵參數(shù)范圍及實現(xiàn)偏振最穩(wěn)定的亞波長光柵位置。

2 器件結(jié)構(gòu)

圖 1為3種MEMS結(jié)構(gòu)波長可調(diào)諧VCSEL的結(jié)果示意圖。圖1(a)是將亞波長光柵放置于器件的上DBR上表面(SSWG：Surface sub-wavelength grating)，圖1(b)是亞波長光柵放置于器件的上DBR下表面(TIWG：Top DBR inter-cavity sub-wavelength grating),圖1(c)是亞波長光柵放置于器件的內(nèi)腔中(ISWG：Inter-cavity sub-wavelength grating)。亞波長光柵是一種光柵周期小于入射光波長的光柵，由于其透射波和反射波局有高衍射效率零級衍射波，這能有效避免了高級次衍射的損耗，因此一直被應(yīng)用在光學(xué)器件當(dāng)中[14]，圖1中亞波長光柵的制作材料是GaAs，h是光柵厚度，Λ是光柵周期，d是光柵條長，光柵占空比則為η=d/Λ。

圖1 3種MEMS結(jié)構(gòu)波長可調(diào)諧VCSEL。 (a)亞波長光柵置于上表面; (b)亞波長光柵置于上DBR下表面; (c)亞波長光柵置于上DBR內(nèi)腔; (d)MEMS波長可調(diào)諧VCSEL結(jié)構(gòu)圖。

Fig.1 Three kinds of MEMS wavelength tunable VCSEL. (a)SSWG-VCSEL. (b)TIWG-VCSEL. (c)ISWG-VCSEL. (d) MEMS wavelength tunable VCSEL.

圖1(d)是中心波長為850 nm的MEMS結(jié)構(gòu)波長可調(diào)諧VCSEL示意圖。首先在GaAs襯底上生長34.5對下布拉格反射鏡(DBR)，由Al0.12Ga0.88As/Al0.9Ga0.1As交替生長而成，每層厚度為λ/4。然后是光學(xué)厚度為λ的半導(dǎo)體諧振腔：在Al0.6Ga0.4As上下限制層中間生長3個Al0.3Ga0.7As/GaAs應(yīng)變量子阱，阱層和壘層的厚度分別為7.2 nm和8 nm。接著是30 nm的高Al組分氧化限制層和2.5對P-DBR。緊接著是空氣隙。最后是上DBR，為16.5對厚為λ/4的Al0.12Ga0.88As/Al0.9Ga0.1As層。

3 3種不同器件結(jié)構(gòu)的偏振控制

3.1 TE/TM穩(wěn)定偏振光柵參數(shù)范圍

利用MATLAB建立MEMS波長可調(diào)諧VCSEL的模型，亞波長光柵在器件3個不同位置形成3種結(jié)構(gòu)(ISWG,TIWG,SSWG)的上反射鏡，使用該模型計算TE 和 TM 波反射率隨光柵槽深和占空比的變化關(guān)系，如圖2所示。上反射鏡包括上DBR、空氣隙、亞波長光柵和P-DBR，其中光柵的周期為200 nm，空氣隙厚度固定為1 062 nm。之所以沒有計算周期對偏振光反射率的影響，是因為周期對折射率影響極小，而折射率與反射率相關(guān)，所以周期對反射率影響很小[15]。

圖2中標(biāo)注的high reflective 表明的是當(dāng)要利用該種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)TE/TM偏振控制時可以選擇的光柵參數(shù)范圍，在這些參數(shù)范圍里對應(yīng)的反射率比另一種偏振在相同參數(shù)范圍里(low reflective)的反射率要大。根據(jù)式(1)可知，在相同的參數(shù)和結(jié)構(gòu)下，反射率越大則閾值增益越小。式中g(shù)th是閾值增益，Γ是限制因子，ai是內(nèi)損耗，R是反射率，L是激光器等效腔長[16]。

圖2 3種MEMS波長可調(diào)諧VCSEL上反射鏡反射率與光柵占空比和厚度的關(guān)系

(1)

通過3種結(jié)構(gòu)上反射鏡對于TE和TM偏振反射率的對比可以發(fā)現(xiàn)，TIWG-VCSEL只能比較穩(wěn)定地控制TE偏振，但是對于TM偏振基本都很難控制，實現(xiàn)其TE偏振控制的亞波長光柵參數(shù)占空比得在0.15～0.8之間，光柵厚度得在60～150 nm之間。而ISWG-VCSEL和SSWG-VCSEL都存在一定的光柵參數(shù)范圍實現(xiàn)TE偏振或者TM偏振的控制。對于ISWG-VCSEL，若想實現(xiàn)TE偏振控制，亞波長光柵占空比得在0.4～0.6之間，光柵厚度得在100～150 nm之間；而若想實現(xiàn)TM偏振控制，占空比就必須在0.07～0.16之間，厚度還是在100～150 nm之間。對于SSWG-VCSEL，若想實現(xiàn)TE偏振控制，占空比得在0.2～0.8之間，厚度則應(yīng)該在60～80 nm之間；若想TM偏振被穩(wěn)定控制，則光柵占空比一定在0.1～0.3之間，厚度在100～150 nm之間。之所以能夠通過上反射鏡反射率來判斷，是因為下反射鏡的DBR對數(shù)是上反射鏡的兩倍，因此其對于850 nm附近波長的反射率接近為100%了。

3.2 TE/TM偏振穩(wěn)定性的對比

從圖2可知，TIWG-VCSEL結(jié)構(gòu)很難實現(xiàn)TM偏振的控制，而其他兩種在TE和TM偏振控制方面均比較容易，所以TIWG-VCSEL不利于實際應(yīng)用，后面不再加以研究。為了進一步研究分析ISWG-VCSEL和SSWG-VCSEL在TE和TM偏振控制上的穩(wěn)定性，可以將兩種結(jié)構(gòu)TE/TM 的high reflective所對應(yīng)反射率減去相同參數(shù)范圍內(nèi)TM/TE 的low reflective所對應(yīng)反射率，通過反射率差來判斷它們對于偏振控制的穩(wěn)定性。

圖3所示的是ISWG-VCSEL和SSWG-VCSEL兩種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)TE偏振穩(wěn)定時的反射率差值，就是利用TE中的high reflective所對應(yīng)反射率減去TM中在相同參數(shù)范圍里low reflective所對應(yīng)的反射率。對于ISWG-VCSEL，當(dāng)占空比為0.6、光柵厚度在100～150 nm之間時，它的反射率差值最小但大于0.006，根據(jù)式(1)和器件結(jié)構(gòu)可得TE偏振閾值增益比TM小最少10 cm-1，然而在占空比為0.5、光柵厚度在100～140 nm時，它的的反射率差最大，并且隨著光柵厚度的增大，要使反射率差值達到最大，則占空比必須為0.45。對于SSWG-VCSEL，當(dāng)占空比為0.2、光柵厚度在50～60 nm之間時，它的反射率相差最大。光柵厚度繼續(xù)增大到60～67 nm之間時，反射率差值只有在占空比為0.3時才是最大。當(dāng)光柵厚度增大到67～70 nm以上時，要想反射率差最大，則占空比得為0.4，但是均小于0.006。

通過對圖3的ISWG-VCSEL和SSWG-VCSEL反射率差值的分析，可以發(fā)現(xiàn)ISWG-VCSEL即使選擇占空比為0.6、厚度在100～150 nm之間，它的反射率差雖然最小但也是比SSWG-VCSEL選擇光柵參數(shù)占空比為0.3、光柵厚度為65 nm對應(yīng)的反射率差大，即ISWG-VCSEL的TE和TM偏振閾值增益相差不到10 cm-1。這也說明ISWG-VCSEL在控制TE偏振上比SSWG-VCSEL穩(wěn)定。

圖3 ISWG-VCSEL(a)和SSWG-VCSEL(b)實現(xiàn)TE偏振控制時的反射率差

Fig.3 Reflectivity difference of ISWG-VCSEL(a) and SSWG-VCSEL(b) when they achieve TE polarization stable

圖4所示的是ISWG-VCSEL和SSWG-VCSEL兩種結(jié)構(gòu)對于實現(xiàn)TM偏振穩(wěn)定的反射率差值。對于ISWG-VCSEL，當(dāng)占空比為0.1、光柵厚度在100～140 nm之間時，反射率差值最大。若光柵厚度繼續(xù)增大，則只有當(dāng)占空比為0.07時，反射率差才是最大。而當(dāng)占空比為0.16、光柵厚度在100～150 nm時，反射率差最小，但大于0.003。即根據(jù)式(1)和器件結(jié)構(gòu)可得TM偏振閾值增益比TE最小少5 cm-1，并且厚度在140 nm后反射率差值小于0.003。對于SSWG-VCSEL，當(dāng)占空比為0.1、光柵厚度在100～103 nm之間時，反射率相差最大。若光柵厚度繼續(xù)增大到103～150nm之間時，則只有占空比為0.2時反射率差才是最大，但均小于0.003。

圖4 ISWG-VCSEL(a)和SSWG-VCSEL(b)實現(xiàn)TM偏振控制時的反射率差

Fig.4 Reflectivity difference of ISWG-VCSEL(a) and SSWG-VCSEL(b) when they achieve TM polarization stable

對圖4的對比研究可知，對于TM偏振，光柵占空比為0.16、厚度在140～150 nm時的ISWG-VCSEL的反射率差低于SSWG-VCSEL當(dāng)占空比為0.2時的反射率差，但是除此之外，ISWG-VCSEL在其他光柵參數(shù)時的反射率差都大于SSWG-VCSEL。

通過上面的分析可知，TIWG-VCSEL無法穩(wěn)定控制TM偏振，而SSWG-VCSEL雖然能夠控制TE和TM偏振，但是不如ISWG-VCSEL穩(wěn)定。所以 ISWG-VCSEL在偏振控制上是最優(yōu)越的。

4 結(jié) 論

通過3種結(jié)構(gòu)(即將亞波長光柵置于MEMS波長可調(diào)諧VCSEL上DBR上表面和下表面以及內(nèi)腔當(dāng)中)對偏振控制的的對比可以得出，光柵在上DBR下表面的器件結(jié)構(gòu)僅能穩(wěn)定地控制TE偏振而很難控制TM偏振。雖然光柵在上DBR上表面和內(nèi)腔中均能很好地控制TE和TM偏振，但是光柵在上DBR下表面的器件結(jié)構(gòu)的偏振穩(wěn)定性不如光柵在內(nèi)腔中的結(jié)構(gòu)。ISWG-VCSEL實現(xiàn)TE偏振反射率差最小是0.006，TE偏振的閾值增益最少比TM小10 cm-1，SSWG-VCSEL在反射率差最大時都沒有達到0.006。而在TM偏振上，ISWG-VCSEL除占空比為0.16、厚度在140～150 nm之間時反射率差小于0.003，其余參數(shù)均大于0.003，即TM偏振的閾值增益最少比TE小5 cm-1，但是SSWG-VCSEL反射率差均小于0.003。因此，將亞波長光柵置于MEMS波長可調(diào)諧VCSEL的內(nèi)腔中的結(jié)構(gòu)在偏振控制上是最優(yōu)的。

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江孝偉(1991-)，男，浙江衢州人，碩士，助理研究員，2016年于北京工業(yè)大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事半導(dǎo)體光學(xué)器件方面的研究。

E-mail: JosephJiangquzhi@126.com

Polarization Research of VCSEL Based on Sub-wavelength Grating

JIANG Xiao-wei1*, GUAN Bao-lu2

(1.CollegeofInformationEngineering,QuzhouCollegeofTechnology,Quzhou32400,China;2.LaboratoryofOpto-electronicsTechnology,CollegeofElectronicInformationandControlEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)

In order to confirm the sub-wavelength grating parameters and the best position the sub-wavelength grating being placed in micro-electro-mechanical system (MEMS) wavelength tunable VCSEL(top DBR surface, top DBR bottom surface, inner cavity) range to realize stable polarization control, MATLAB was used to build MEMS wavelength tunable VCSEL model, then the reflectivity of three structures’ top reflective mirror (top DBR, grating, air gap) changing with the sub-wavelength grating parameters were calculated by which the grating parameters range (high reflectivity) making TE/TM polarization of the three structures stable could be confirmed. The reflectivity difference for which the high reflective corresponding reflectivity minus the low reflective corresponding reflectivity in the same grating parameters range can determine the position where the sub-wavelength grating is placed to realize the most stable polarizations. The results show that the sub-wavelength grating on the bottom surface of the top DBR mostly can not control TM polarization, while not only TE polarization but also TM polarization is most stable when the grating is placed in the inner cavity. TE polarization threshold is less than TM polarization of 10 cm-1within the grating parameters range to realize TE polarization stable, while TM polarization threshold is less than TE polarization of 5 cm-1within the grating parameters range to realize TM polarization stable.

MEMS wavelength tunable VCSEL; polarization stable; sub-wavelength grating; MATLAB build model

2016-11-27；

2017-03-10

國家自然科學(xué)基金(61650404)；衢州市科技計劃項目(2015Y021)；衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院項目(QZYY1612)資助 Supported by National Natural Science Foundation of China(61650404)；Quzhou Science and Technology Project(2015Y021)；Quzhou College of Technology Project(QZYY1612)

1000-7032(2017)06-0729-06

TN248.4

A

10.3788/fgxb20173806.0729

*CorrespondingAuthor,E-mail:JosephJiangquzhi@126.com