寬范圍、偏振穩(wěn)定的850 nm液晶可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器特性

王小龍，鄒永剛，郝永芹，馬曉輝，劉國(guó)軍

(長(zhǎng)春理工大學(xué), 吉林 長(zhǎng)春 130022)

1 引 言

可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)具有低閾值電流、單縱模、連續(xù)的波長(zhǎng)調(diào)諧特性、圓形對(duì)稱的光斑以及易于2D陣列等特點(diǎn)，在光通信、光儲(chǔ)存、光譜學(xué)以及醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。特別地，在高速數(shù)據(jù)通信以及各種電信應(yīng)用(尤其是光網(wǎng)絡(luò))中具有寬波長(zhǎng)調(diào)諧范圍的VCSEL已經(jīng)成為最具競(jìng)爭(zhēng)力的激光光源[1]。但是，傳統(tǒng)的VCSEL由于其對(duì)稱的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)使得偏振模式間的各向異性很弱，很難實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單偏振模式輸出，在器件的工作溫度和注入電流改變時(shí)，VCSEL會(huì)出現(xiàn)偏振模式間的切換現(xiàn)象[2-3]，一定程度上影響器件的工作性能。因此，面向?qū)嶋H應(yīng)用的具有偏振穩(wěn)定、寬波長(zhǎng)調(diào)諧范圍的VCSEL器件，一直以來都是研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。目前，實(shí)現(xiàn)VCSEL偏振穩(wěn)定常用的技術(shù)包括：非對(duì)稱電流注入[4]、非對(duì)稱氧化孔徑[5]、表面浮雕[6]、選擇性外延生長(zhǎng)[7]、單層高對(duì)比度光柵結(jié)構(gòu)[8]、內(nèi)腔液晶[9]等。其中集成單層高對(duì)比度光柵(HCG)結(jié)構(gòu)的VCSEL具有較優(yōu)良的單偏振輸出特性。HCG可完全替代傳統(tǒng)VCSEL的上DBR反射鏡結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)兩個(gè)正交偏振態(tài)光波之間引入較大反射率差，從而輸出穩(wěn)定的單偏振模式。Chang-Hasnain課題組報(bào)道的HCG-VCSEL結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定的單偏振模式能力，并且引入MEMS結(jié)構(gòu)控制HCG產(chǎn)生位移，在一定范圍內(nèi)使VCSEL的輸出波長(zhǎng)可以連續(xù)調(diào)諧，該結(jié)構(gòu)已經(jīng)分別在850，1 060，1 550 nm等VCSEL的常用波段先后得到了證實(shí)[10-12]。2006年，Levalloisa等首次提出了通過腔內(nèi)嵌入液晶層結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對(duì)VCSEL輸出偏振模式的調(diào)控[13]，利用液晶的雙折射特性來增大腔內(nèi)偏振模式間的閾值增益差，該方法同樣可以使VCSEL具有穩(wěn)定的單偏振模式輸出特性。同時(shí)，液晶作為一種電光折射率調(diào)制材料，在外加電壓的作用下通過改變e光的等效折射率可以使VCSEL的輸出波長(zhǎng)連續(xù)調(diào)諧[14]。該方法不僅拓展了VCSEL的功能性，同時(shí)由于放棄了MEMS的調(diào)諧方式，使得其制作工藝更加簡(jiǎn)單，可靠性高。因此，結(jié)合內(nèi)腔液晶結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧VCSEL受到了廣泛關(guān)注，成為研究熱點(diǎn)之一。

本文設(shè)計(jì)了一種基于內(nèi)腔液晶的寬調(diào)諧范圍、偏振穩(wěn)定的850 nm可調(diào)諧VCSEL結(jié)構(gòu)。通過傳輸矩陣法研究了液晶厚度影響可調(diào)諧VCSEL偏振模式和波長(zhǎng)調(diào)諧的機(jī)理。同時(shí)，通過優(yōu)化半導(dǎo)體腔和液晶腔之間的耦合層結(jié)構(gòu)，使得基于液晶的可調(diào)諧VCSEL結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定偏振模式輸出的基礎(chǔ)上具有更寬的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍。

2 液晶VCSEL結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的基于向列相液晶的VCSEL器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。該VCSEL由以下幾部分組成，分別是半VCSEL結(jié)構(gòu)、耦合層、液晶層和頂部DBR結(jié)構(gòu)。其中，半VCSEL結(jié)構(gòu)沿外延生長(zhǎng)方向主要包括背面電極、GaAs襯底、底部n-DBR、有源區(qū)以及激光器注入電極等；液晶層包括間隔層和向列相型液晶；頂部DBR區(qū)包括頂部多層SiO2/TiO2介質(zhì)膜DBR、玻璃基底、電極等。液晶垂直腔面發(fā)射激光器采用多片集成技術(shù)制備，即VCSEL陣列的半VCSEL區(qū)、液晶層區(qū)和頂部DBR區(qū)3個(gè)部分分別制備，在半VCSEL區(qū)制備完成后在其上面制作間隔層形成液晶單元，通過旋涂法填充液晶，最后將上DBR部分覆蓋在液晶之上并密封，最終獲得結(jié)構(gòu)完整的液晶VCSEL。

圖1 液晶垂直腔面發(fā)射激光器陣列結(jié)構(gòu)

增大偏振模式間的損耗差或增益差是使VCSEL實(shí)現(xiàn)偏振穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。本文利用液晶所具有的雙折射(具有兩種不同的折射率no和ne)特性使不同偏振模式的共振波長(zhǎng)發(fā)生分離，從而增大偏振模式間的增益差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)VCSEL穩(wěn)定的偏振模式輸出。其中，影響液晶可調(diào)諧VCSEL偏振特性的參數(shù)主要包括液晶層的厚度以及ne和no的折射率差等。因此，對(duì)液晶參數(shù)的確定是設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵因素。為了計(jì)算液晶折射率隨波長(zhǎng)的變化，采用與實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合較好的柯西方程來計(jì)算，如公式(1)所示：

(1)

其中，Ae,o、Be,o和Ce,o分別為液晶o光和e光的柯西系數(shù)。通過查閱文獻(xiàn)[15]，在25 ℃時(shí)，液晶E7的柯西系數(shù)取值分別為：Ae=1.693 3，Be=0.007 8，Ce=0.002 8，Ao=1.499 4，Bo=0.007，Co=0.000 4。由公式(1)計(jì)算得到液晶折射率分別為no=1.503 6和ne=1.689 9。

3 模擬結(jié)果

3.1 偏振特性優(yōu)化

在LC-VCSEL結(jié)構(gòu)的優(yōu)化過程中，液晶層的厚度是影響器件輸出偏振態(tài)的主要因素。因此，有必要進(jìn)一步地分析液晶厚度對(duì)偏振模式間的共振波長(zhǎng)以及閾值增益差的影響。VCSEL的共振波長(zhǎng)由腔模位置決定，可以通過光學(xué)傳輸矩陣法[16]計(jì)算VCSEL多層結(jié)構(gòu)的反射譜來獲得，其傳輸矩陣表達(dá)式為：

(2)

式中B、C為矩陣單元，nj和δj分別是第j層膜的折射率以及通過第j層膜后的相位差，其表達(dá)式為：

(3)

其中αj、nj和dj分別是吸收系數(shù)、折射率和物理厚度。膜系的反射率可由公式(4)計(jì)算得到：

(4)

通過計(jì)算不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的反射率可得到膜系整體的反射譜，譜線中的缺陷位置對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)即為VCSEL的共振波長(zhǎng)。本文使用Rsoft軟件對(duì)液晶可調(diào)諧VCSEL結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，通過計(jì)算不同液晶厚度時(shí)多層膜系的反射譜和腔膜位置,即可獲得液晶厚度與VCSEL共振波長(zhǎng)的變化關(guān)系。圖2為液晶厚度等于0.5 μm時(shí)的膜系反射譜，其中譜線缺陷位置對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)即為VCSEL在液晶厚度為0.5 μm時(shí)的共振波長(zhǎng)。通過求解、整合不同液晶厚度時(shí)對(duì)應(yīng)的腔膜位置即可得到液晶厚度與共振波長(zhǎng)的關(guān)聯(lián)。

圖2 液晶厚度為0.5 μm時(shí)，LC-VCSEL的反射譜。

公式(5)用來計(jì)算兩種偏振模式的閾值增益隨液晶厚度的變化關(guān)系：

(5)

其中L為液晶VCSEL的等效腔長(zhǎng)，Γ為光限制因子，R1和R2分別為上下DBR反射率，α為腔內(nèi)吸收系數(shù)。共振波長(zhǎng)和閾值增益的計(jì)算結(jié)果如圖3所示。其中圖3(a)為25 ℃時(shí)，不同液晶厚度與腔內(nèi)共振波長(zhǎng)的關(guān)系，其中紅色曲線為尋常光(no)，黑色曲線為非尋常光(ne)。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，液晶的“雙折射”特性使得腔內(nèi)兩種偏振模式的共振波長(zhǎng)存在分離。偏振模式間的波長(zhǎng)差異呈現(xiàn)周期性變化，例如當(dāng)液晶厚度為2.2～2.4 μm時(shí)，兩種偏振模式的共振波長(zhǎng)曲線存在幾乎重合的情況。當(dāng)繼續(xù)增大液晶厚度時(shí)，模式間差異重新變得明顯。隨著液晶厚度的增大，兩種偏振模式的自由光譜范圍均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。兩種偏振模式的閾值增益隨液晶厚度變化的關(guān)系如圖3(b)所示。由于共振波長(zhǎng)的分離，使得偏振模式間的閾值增益也同樣存在明顯的差異。通過設(shè)置合適的液晶厚度，可以使得ne模式相比于no模式始終具有更小的閾值增益，從而使得器件始終輸出穩(wěn)定的單偏振模式。隨著液晶厚度的增大，由于更多的光場(chǎng)將存在于液晶層內(nèi)，這會(huì)使得器件整體的光場(chǎng)限制因子減小，從而導(dǎo)致閾值增益的增大。因此，一味地增大液晶厚度對(duì)于器件的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍和閾值都是不利的。

圖3 不同的液晶厚度與共振波長(zhǎng)(a)和閾值增益(b)的關(guān)系

為了更清晰地觀察液晶厚度對(duì)偏振模式間的共振波長(zhǎng)和閾值增益的影響，分別將圖3(a)、(b)中的兩條曲線相減(ne-no),得到了在不同液晶層厚度時(shí)兩種偏振模式的波長(zhǎng)差和閾值增益差，如圖4所示。

圖4 不同液晶厚度時(shí)，兩種偏振模式的共振波長(zhǎng)差(a)和閾值增益差(b)。

根據(jù)圖4的結(jié)果可以更容易地確定液晶層的初始厚度，使得兩種偏振模式間的共振波長(zhǎng)滿足圖5所示的調(diào)諧過程。其中，紅線和藍(lán)線分別代表e光和o光的腔縱模位置，黑線代表材料增益曲線。由于o光的折射率不隨液晶傾角的改變而發(fā)生變化，因此當(dāng)確定液晶厚度后，o光的共振波長(zhǎng)也隨之確定。相比于o光，e光在波長(zhǎng)連續(xù)調(diào)諧的過程中(由E處移動(dòng)到E′處時(shí))始終更靠近材料的增益峰，使得o光在模式競(jìng)爭(zhēng)中一直處于受抑制的狀態(tài)，從而器件在調(diào)諧過程中將始終具有穩(wěn)定的單偏振模式。例如，在液晶厚度為1.75 μm和1.9 μm時(shí)，兩種偏振模式具有較大的波長(zhǎng)分離值，同時(shí)e光具有更低的閾值增益。

圖5 偏振穩(wěn)定的LC-VCSEL波長(zhǎng)調(diào)諧過程

3.2 波長(zhǎng)調(diào)諧范圍優(yōu)化

在傳統(tǒng)的液晶可調(diào)諧VCSEL結(jié)構(gòu)中，液晶微腔與半導(dǎo)體腔之間常采用1～2對(duì)的中間DBR結(jié)構(gòu)相連。由于在兩個(gè)微腔界面存在較大的折射率差，使得大部分的光場(chǎng)被限制在半導(dǎo)體腔內(nèi)，這直接影響了器件的最大波長(zhǎng)調(diào)諧范圍[17]。本文設(shè)計(jì)了一種具有內(nèi)腔耦合層的液晶可調(diào)諧VCSEL結(jié)構(gòu)，將原有的中間DBR與液晶微腔接觸的表面由原來的λ/4n光學(xué)厚度變?yōu)棣?2n。改變了原有的相位分布，使更多的光場(chǎng)進(jìn)入到液晶微腔中，從而增大器件的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍。建立了如圖6所示的兩種液晶VCSEL結(jié)構(gòu)模型，通過對(duì)比方式來說明耦合層的加入對(duì)器件波長(zhǎng)調(diào)諧范圍的提升。除耦合層設(shè)置不同外，其他組成部分均使用相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括：λ厚度有源區(qū)、32對(duì)GaAs/AlGaAs底部DBR、1.9 μm液晶層、1對(duì)GaAs/AlGaAs中間DBR以及10對(duì)SiO2/TiO2頂部DBR。

圖6 液晶可調(diào)諧VCSEL結(jié)構(gòu)示意圖

在實(shí)際的波長(zhǎng)調(diào)諧過程中，通過外加調(diào)諧電壓的方式控制液晶分子的旋轉(zhuǎn)，從而連續(xù)地改變液晶分子的等效折射率，實(shí)現(xiàn)輸出波長(zhǎng)的連續(xù)調(diào)諧。等效折射率與液晶分子傾角的關(guān)系滿足下列公式：

nx=no，

(6)

θ的變化范圍為0～π/2。當(dāng)θ=0時(shí)，液晶非尋常光折射率ne=1.689 9，尋常光折射率no=1.503 6。當(dāng)θ逐漸增大時(shí)，o光的折射率不會(huì)發(fā)生改變，而e光的折射率逐漸減小，直至與o光相等。本文通過連續(xù)地改變e光等效折射率的方法來模擬液晶可調(diào)諧VCSEL的波長(zhǎng)調(diào)諧過程。

圖7(a)為液晶可調(diào)諧VCSEL在有無耦合層前后的輸出波長(zhǎng)隨e光折射率變化的曲線。在未加入耦合層前，由于受到界面處較大反射率的影響，液晶可調(diào)諧VCSEL的最大自由光譜范圍為27.4 nm。當(dāng)加入耦合層設(shè)計(jì)后，重新優(yōu)化了器件內(nèi)部的光場(chǎng)分布，使得更多的光進(jìn)入到液晶層中，極大地提升了器件的自由光譜范圍。結(jié)果表明，具有內(nèi)腔耦合層的液晶可調(diào)諧VCSEL的最大波長(zhǎng)調(diào)諧范圍提升到41.1 nm，有效地增大了器件的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍和調(diào)諧效率。圖7(b)為兩種偏振模式輸出隨e光折射率變化曲線，隨著e光偏振模式折射率的改變，輸出波長(zhǎng)藍(lán)移。在41.1 nm的波長(zhǎng)移動(dòng)范圍內(nèi)，e光共振波長(zhǎng)始終具有更低的閾值增益，并且更靠近材料增益峰位置。因此，e光偏振模式始終具有更高的量子阱增益，更容易激射。相反，o光偏振模式在競(jìng)爭(zhēng)中將一直處于受抑制狀態(tài)。結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的具有內(nèi)腔耦合的液晶可調(diào)諧VCSEL結(jié)構(gòu)具有41.1 nm的連續(xù)波長(zhǎng)調(diào)諧范圍，并且可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的偏振模式輸出。

圖7 (a)優(yōu)化前后波長(zhǎng)調(diào)諧范圍曲線；(b)o光和e光的波長(zhǎng)調(diào)諧曲線。

圖8是在腔內(nèi)共振波長(zhǎng)都為850 nm時(shí)，有無耦合層的腔內(nèi)縱向光場(chǎng)分布?？梢悦黠@發(fā)現(xiàn)，通過改變半導(dǎo)體腔和液晶腔之間的耦合方式后，有效地增大了光場(chǎng)在液晶層中的分布。同時(shí)我們也對(duì)優(yōu)化前后光場(chǎng)限制因子的變化進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明，在加入耦合層設(shè)計(jì)后，光場(chǎng)限制因子由原來的2.62%降低到1.57%。雖然光限制因子的降低會(huì)使得器件的工作閾值增大，但由于VCSEL本身具有低閾值的特點(diǎn)，優(yōu)化后的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍相比之前具有明顯的提升。

圖8 腔內(nèi)縱向光場(chǎng)分布

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種具有寬調(diào)諧范圍、偏振穩(wěn)定的850 nm液晶可調(diào)諧VCSEL結(jié)構(gòu)。通過傳輸矩陣法研究了在不同液晶層厚度下，兩種偏振模式的共振波長(zhǎng)以及對(duì)應(yīng)的閾值增益的變化關(guān)系，分析了液晶層厚度對(duì)器件輸出偏振模式的控制機(jī)理。此外，為進(jìn)一步提升液晶可調(diào)諧VCSEL的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍，在半導(dǎo)體微腔與液晶微腔之間增加了一個(gè)耦合層設(shè)計(jì)。通過對(duì)比的方式表明耦合層的加入極大地提升了液晶可調(diào)諧VCSEL的最大波長(zhǎng)調(diào)諧范圍。結(jié)果顯示，本文設(shè)計(jì)的具有內(nèi)腔耦合的液晶可調(diào)諧VCSEL結(jié)構(gòu)最大波長(zhǎng)調(diào)諧范圍41.1 nm，相比于傳統(tǒng)液晶VCSEL結(jié)構(gòu)提升明顯。同時(shí)，液晶可調(diào)諧VCSEL可保持穩(wěn)定的單偏振模式輸出。