光子晶体激光器光子晶体提高VCSEL的单模输出功率充电器

光子晶体激光器：光子晶体提高VCSEL的单模输出功率

光子晶体激光器：光子晶体提高VCSEL的单模输出功率 2011年12月12日 来源： 垂直腔面发射激光器（VCSEL）具有功耗低、封装简单和因其圆形光场分布而易与光纤耦合等优点，因而得到广泛应用。而且，VCSEL便于组成激光器阵列、可实现经济高效的生产。 由于氧化限制型VCSEL的单模输出功率有限，它们最成功的商业化应用是多模应用或者单模输出功率要求一般低于1mW的情况。因此，VCSEL激光器已成为短距离数据通信传输系统的首选光源，或应用于娱乐消费电子产品如光电鼠标。 在长距离高速率数据通信和长途通信领域中，边发射法布里－珀罗腔激光器和分布反馈激光器占据主流。然而，法珀腔激光器由于在高速率调制时的模式色散而使其应用范围有限，分布反馈激光器一般要求增加一个价格昂贵的光隔离器。所以，近期的激光器开发主要关注长波长VCSEL激光器的研制，要求其输出功率可满足高性价比长途通信接入网解决方案的增长需求。

图1.Alight公司在邻近有源区的薄层半导体顶端反射镜 上刻蚀出光子晶体结构以优化激射效果。

长波长VCSEL 一年前，Alight Technologies公司从Infineon Technologies公司获得掺稀氮化物1300nm VCSEL技术工艺平台。现在，Alight公司正在运用其独有的光子晶体技术来增加1300nm VCSEL的单模输出功率以满足远距离通信、接入网和其它通信应用的要求。将光子晶体应用于掺稀氮化物1300nm VCSEL的技术具有普遍适用性，可用于提高其它波长VCSEL的单模输出功率。 传统的氧化限制型VCSEL 商用850nm氧化限制型VCSEL的单模输出功率通常被限制在1～2mW。产生这一功率限制的主要原因是氧化物的孔径限制了电流和光场模式。为了保证基模工作，氧化物孔径必须很小（850nm VCSEL一般是3～4μ），这就限制了能产生的输出功率。氧化物孔径小还使得差分电阻大，从而导致电阻发热增大、并使激光器难以高速工作。此外，孔径小还会使VCSEL的寿命和可靠性降低。 引入光子晶体 一个有潜力使VCSEL实现高速、大功率单模输出的方法是采用光子晶体来限制横向光场分布，同时利用氧化物小孔限制电流。1 通过在VCSEL顶端反射镜上刻蚀光子晶体图案来实现对横向模场的限制，这会引起有效折射率的变化，导致光腔谐振波长移动。2 VCSEL顶端反射镜上浅刻蚀孔的深度只有几百纳米，产生的光腔谐振波长偏移量非常微小。因此，通过刻蚀深孔（10～20腔镜周期）已能制作出光子晶体VCSEL。3，4，5 刻入顶端反射镜的深孔使光腔谐振波长出现所要求的偏移量，但也使光子寿命缩短从而造成更多的光学损耗。这种情况下，光子寿命和光腔谐振波长移动都会形成对模场的横向限制。可惜的是，这会导致在目前的VCSEL中出现强烈的折射率光导或损耗光导，使其模场面积小、输出光功率低。

图2.电子束显微照片展示出长波长VCSEL的光子晶体激射缺 陷，它是由去掉正三角晶格中心的一些圆孔后形成的。

为了克服这些负面效应，Alight Technologies公司使用新的办法来制作光子晶体VCSEL。先对邻近有源区的某一层进行浅刻蚀，然后再沉积构成顶端反射镜的介质材料。已报道的结果显示，光腔谐振波长的调谐范围增大，波长移动范围超过10nm而刻蚀深度仅有几十纳米。6 尽管早就有人验证了这一方法对850nm有效，但这一光子晶体技术现在才移植入长波长掺稀氮化物VCSEL（图1）。在半导体顶层表面中浅刻蚀制作出圆形空气孔的正三角晶格以构成光子晶体结构，得到更长的光腔谐振波长。通过去掉正三角晶格中心的一些圆孔形成光子晶体激射缺陷（图2）。 介质顶端反射镜的采用延续了Infineon的方法，由此可得到可靠性优良的高质量器件。7介质顶端镜与传统的半导体顶端反射镜相比，还减小了由于自由载流子吸收引起的光学损耗。 实验结果 初步开发和原理验证工作是在850nm VCSEL材料上完成的。尽管开发工作因客户需求驱使将注意力转移到长波长VCSEL工作上而未能完成，但实现了850nm单模运转的光子晶体VCSEL，模场直径为8μ。虽然由于非优化的接触工艺引起电阻发热使单模功率水平限制在3～5mW之间，但是开发工作表明在850nm波长处实现10mW量级的单模输出功率是可能的。波长越长，自由载流子吸收也越强烈。因此，开发长波长VCSEL自然也就更困难。然而，良好的初步结果已证明可将长波长光子晶体结构移植到由Infineon开发出的外延生长工艺平台上。例如，光功率-电流特性显示在20℃时单模输出近似达到3mW，在90℃时仍发射出1.4mW的单模功率（图3）。70℃时，激光器在整个电流范围内仍具有大于30dB的超高边模抑制比。

图3 20℃时，VCSEL在1300nm 波长处的单模输出功率已实现大于3mW

光子晶体的采用可以在保证单模工作的同时精确地控制激光束的近场分布，以保证良好的光纤耦合效果（图4）。长波长VCSEL在15mA时的远场接近高斯分布，1/e2宽度在整个工作电流范围内小于17°，这是由于光子晶体的使用可获得大模场尺寸。使用标准的体光学元件后，单模光纤耦合效率已能超过80％。 光子晶体层靠近激光腔还有其它优势。特别是整个结构中成对反射镜的数目保持不变，这非常重要。与深刻蚀结构相比，反射镜的总反射率不受影响，仍保持很高数值。这一特性使得在这种结构中横向导光机制仅取决于局部变化的波长或者有效折射率，而非损耗或增益光波导。损耗光波导是无法避免的，这造成附加的内部光场损耗（在高功率情况下尤其不利），还会由于强限制作用而扭曲模场，导致非高斯的远场分布。

图4.对光子晶体VCSEL在1300nm处的远场分析显示出近似的高斯分布，1/e2宽度在整个工作电流范围内小于17°。

光子晶体弱导光特性有利于更大的模场面积，允许更大的电流（氧化层）孔径，带来输出功率增加、可靠性更好的优点。引入光子晶体结构可实现偏振控制，减小光束发散角和一定量的波长调谐。而且，光子晶体技术由于自身的特性，可缩放其结构尺寸来选择某个目标激射波长，但由于光刻技术的限制以及光场尺寸和电流孔径都必须选择合理的数值，实际的波长选择范围限于400nm至3000nm。 聚焦1300nm产品 由于产品进入市场的时机很重要，Alight采用从Infineon获得的制造设备作为生产手段。与主要客户的紧密合作也有助于缩短从制造1300nm样品过渡到投片生产合格产品的时间。因为普通的光子晶体平台可用于不同的波长和许多领域如光传感、印刷、无源光纤和消费电子，所以从合作伙伴那里寻求长途通信和数据通信的市场之外的机会将有助于这一独特的光子晶体技术最大程度地扩展到其它领域。 参考文献 1. S. Bischoff et al., Proc. European Conf. on Optical Communications (ECOC) 40 (2003). 2. G.R. Hadley, Optics Lett. 20(13) 1483 (1995). 3. H. Unold et al., Proc. ECOC 520 (2001). 4. J.J. Song et al., Applied Phys. Lett. 80(21) 3901 (2002). 5. T. Furukawa et al., Applied Phys. Lett. 85(22) 5161 (2004). 6. F.P. Romstad et al., Proc. ECOC 596 (2004). 7. G. Steinle et al., Proc. Electronic Components and Tech. Conf. (ECTC) 218 (2001).(end)

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