宽范围可调谐内腔液晶垂直腔面发射激光器设计与研究

李保志， 邹永刚， 王小龙， 裴丽娜， 石琳琳*， 李鹏涛， 关宝璐*

(1. 长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室， 吉林 长春 130022；2. 北京工业大学 光电子技术教育部重点实验室， 北京 100124)

1 引 言

随着信息化时代科学技术的高速发展，高性能垂直腔面发射激光器已成为面向高速高密度集成的光互联核心器件。其具有自身独特的圆形对称光斑、小体积、低功耗和高相干度阵列集成等特点，使其具有重要的商业和军事价值并被大量生产，被广泛地应用到光互连、光计算、原子钟和生物医疗等领域中[1-4]。目前，高性能VCSEL已逐步应用于多维光互联的局域网单/多模光纤传送数字通信和多维光交换的密集波分复用(DWDM)系统等全光网络。另一方面，人们对核心光源性能的要求也越来越高，例如，在激光产品研发(激光鼠标、激光电视、激光雷达)、医学成像扫描等新领域中，为了获得更加灵活智能的高质量产品，往往还要求激光光源偏振、可控输出。因此，高性能VCSEL波长调谐和偏振控制集成技术的研究成为高性能半导体光源领域中的研究热点和难点。目前，实现波长可调谐VCSEL通常采用微机械系统(MEMS)结构设计，通过静电力、压电及热电效应等方法调谐波长。1995年，Chang-Hasnain等首次制备出上DBR反射镜为悬臂梁结构的微机械可调谐VCSEL[5]，当电压达到5.7 V时，波长调谐范围为15 nm。1999年，Vakhshoori等研制出中心波长为1 550 nm、调谐范围为50 nm的可调谐VCSEL，顶部介质薄膜由静电力驱动，所加电压范围为0～39 V[6]。2002年，Syrbu等研制出输出功率为1 mW、调谐范围为38 nm、调谐电压为4 V。采用光泵浦的可调谐VCSEL[7]。2004年，Syrbu等又将输出功率提高到2 mW，在调谐电压小于4 V时，调谐范围减小到32 nm[8]。目前，采用光泵浦的微机械可调谐VCSEL的调谐范围已经达到了150 nm。上述微机械可调谐VCSEL调谐范围较宽，但其激光输出偏振不稳定，波长调谐效率较低，制作工艺较复杂且对机械振动敏感。

液晶在电场作用下其折射率差会发生变化。利用这一性质，液晶材料可用来调谐激光器的出射波长[9-11]。针对现有VCSEL存在的输出偏振不稳定和波长调谐效率低等关键问题，本文提出了一种新型基于液晶微纳结构的可调谐VCSEL结构设计。将液晶置于谐振腔内作为电光调谐材料，进而实现波长调谐。该新结构器件由两部分组成：一部分为具有光波相位调控功能的液晶微纳光控单元；一部分为“半结构”的VCSEL结构，由顶部DBR、有源区光纵向耦合结构和底部DBR组成。率先将液晶微纳光控单元通过微加工技术嵌入到距有源区不足500 nm的光腔内部，在增加有效腔长压窄线宽的同时，使其作为量子化的近场增强相位控制光学元件。基于液晶各向异性电控双折射效应，可以有效实现激光偏振波长稳定调谐操作。相比于GaAs/AlGaAs等半导体材料制备中的微机械技术，液晶材料不受激光器加工过程中腐蚀的影响，大大提高了窄线宽VCSEL的可靠性；同时实现了激光器内部偏振增益各向异性，可使TE/TM偏振基态对应的波长位置有效分离，进而实现大范围波长偏振稳定控制。此外，液晶微腔与VCSEL半导体材料连接界面处，在液晶“形式双折射”效应的作用下，半导体-空气界面的反射率由30%下降到10%，从而允许有源区内更多的光场能量透射入液晶微腔，使相位耦合因子接近1。因此，在静电场作用下液晶微腔对激光器内部光场能量具有更强的调制作用，器件调谐特性近似为线性调谐，从而大大提高液晶微腔的调谐效率。研究结果表明，我们所设计的内腔液晶可调谐垂直腔面发射激光器结构实现了激光单偏振稳定输出，调谐范围达到31 nm，调谐效率达到10 nm/V，为发展基于偏振激发的新一代液晶超窄线宽VCSEL提供了科学依据和新型器件制备依据。

2 可调谐LC-VCSEL整体结构设计

利用Rsoft LaserMOD激光器仿真软件设计内腔液晶可调谐VCSEL的整体结构，如图1所示。LC-VCSEL的中心波长为852 nm，GaAs衬底的厚度为250 nm，其下是底部电极。由衬底向上依次为36对下DBR反射镜，每对厚度分别为60 nm和68 nm的Al0.1Ga0.9As、Al0.9Ga0.1As材料。其上是有源区，包括3个量子阱结构，阱层材料是Al0.12In0.18Ga0.7As，厚度是7 nm；垒层材料是Al0.2-Ga0.8As，厚度为15 nm。Al0.98Ga0.02As氧化限制层厚度是30 nm。液晶微腔由ITO层和液晶层组成。其上n型DBR反射镜由21对Al0.9Ga0.1As、Al0.1Ga0.9As材料交替构成，同时作为顶部调谐电极。

图1 可调谐LC-VCSEL整体结构示意图

nx=no,

(1)

(2)

液晶非寻常光折射率ne=1.75，寻常光折射率no=1.5。未加电压时，液晶分子处于平行方向并有很小的预倾角，液晶的有效折射率nE近似等于非寻常光折射率ne。加电压后，液晶分子向电场方向倾斜，从水平方向逐渐变为垂直方向，液晶的有效折射率nE也从非寻常光折射率ne变为寻常光折射率no,激射波长变化表现为蓝移。两种光波的波长变化[14]可表示为：

(3)

(4)

以上两式中，λe、λo分别是非寻常光的输出波长和寻常光的输出波长，La、na分别是有源区的厚度和折射率，Llc是液晶的厚度，nE是液晶的有效折射率，no是寻常光的折射率。VCSEL输出激光的波长主要由其腔模决定[15]。腔模位置可以通过光学传输矩阵计算VCSEL整体结构的反射谱获得。对于多层膜系结构，激光通过k层膜的传输矩阵表达式[16]如下所示:

(5)

式中B、C是传输矩阵元，nj是第j层膜的折射率，δj是通过第j层膜后光场的相位变化，nk+1是出射介质的折射率。正入射光场经过第j层膜后相位变化为

(6)

式中αj和dj分别是第j层膜的吸收系数和厚度。多层膜系在表面界面处的反射率为

(7)

式中n0为入射介质的折射率。从上式可以得出各个不同波长的反射率特性即VCSEL的反射谱，从而可以确定其腔模位置和偏振调谐效率。

3 结果与讨论

利用偏光干涉原理，在较小电压范围内，可以测出液晶折射率与电压的变化关系[17]。当一束入射光经过液晶后，非寻常光e光和寻常光o光的相位差为

δ=2πdΔn/λ，

(8)

双折射率则为

Δn=δλ/2πd,

(9)

其中，d表示液晶盒的厚度，λ表示入射光的波长。双折射率为e光折射率与o光折射率的差值。图2是E7液晶双折射率与电压的变化关系。从图中可以看出，所采用的E7液晶阈值电压为1 V，当调谐电压从1 V增加到3 V时，双折射率变化较明显，Δn达到0.2。当调谐电压大于10 V时，由于液晶分子的旋转力矩与电场的旋转力矩逐渐达到平衡，使得双折射率变化曲线趋于平缓，达到饱和。

图2 E7液晶电控双折射率与电压的变化关系

图3是液晶折射率与所对应的输出波长的关系图，液晶层设计厚度为1.5 μm。考虑到液晶的吸收和损耗[18]，模拟中取吸收系数a=10 cm-1。o偏振光对应的波长与VCSEL的中心波长一致，波长大小为852 nm。从图中可以看出，随着液晶微腔折射率的变化，激光器e偏振光的波长被有效调谐。当液晶微腔折射率从1.75减小到1.5时，激光器偏振输出波长从852 nm蓝移到821 nm。

图3 波长与液晶折射率的关系

VCSEL激光器偏振波长与调谐电压关系如图4所示，当调谐电压从0 增加到3 V时，由图4可知，e偏振光的折射率将逐渐减小，因此，液晶微腔的调谐使得VCSEL激光器所对应的偏振光中心波长从852 nm调谐到821 nm，波长蓝移范围达到31 nm。同时，由于液晶分子的旋转对o偏振光的折射率没有影响，因此o偏振光的波长不随电压的增加而发生变化，从而在整个调谐范围内实现单偏振波长调谐。图5是所加调谐电压与激光器不同偏振光的阈值增益的变化关系，从图中可知，o偏振光的阈值增益保持225.6 cm-1不变，而e偏振光的阈值增益先减小后增大，同时在调谐电压逐步增加的过程中，即在VCSEL激光器调谐范围内，o偏振光的阈值增益始终大于e偏振光的阈值增益，从而使得e偏振光具有更大的竞争激射优势，实现单偏振激射。

图4 调谐电压对波长的影响

图5 调谐电压对阈值增益的影响

图6进一步给出了不同液晶微腔厚度和折射率变化与LC-VCSEL调谐波长变化范围的关系。从图中可以看出，随着液晶微腔有效折射率的减小，激射波长逐渐蓝移。与此同时，液晶微腔厚度的设计对波长调谐范围的影响也非常大，如图6所示，当液晶层厚度增加时，随着波长相位的变化而呈周期性调谐，偏振波长调谐范围随之减小，这是由于VCSEL激光器的纵模间距与有效腔长成反比，当液晶微腔厚度较小时，激光器本身纵模间距较大，波长调谐范围由液晶折射率变化限制。随着液晶微腔厚度的增加，VCSEL激光器纵模间距减小，波长调谐范围将不仅由液晶折射率变化决定，同时受到纵模间距的限制。如当液晶微腔厚度为4.5 μm时，波长调谐范围减小到了10 nm，而当液晶微腔厚度为1.5 μm时，波长调谐范围达到了31 nm。与此同时，液晶层厚度的减小也会导致光波吸收和散射的减小，进一步降低器件损耗。

图6 调谐波长随液晶折射率和厚度的变化关系

4 结 论

将液晶置于垂直腔面发射激光器谐振腔内，设计了可调谐VCSEL的完整结构。该新型结构由两部分组成：一部分为“半结构”的VCSEL结构，包括高反射率介质布拉格反射镜和一个852 nm量子阱有源发光区域；一部分为具有光波相位调控功能的液晶微纳光控单元。在静电场作用下，液晶微腔对激光器内部光场能量具有更强的调制作用，器件调谐特性近似为线性调谐，从而大大提高了液晶微腔的调谐效率。获得最大31 nm的连续波长调谐范围以及激光单偏振稳定输出，调谐效率大于10 nm/V。