王超素　郑逸　江孝伟

【摘 要】实现VCSEL波长可调谐是现今VCSEL研究领域的热点之一，本文提出利用内腔亚波长光栅提高了VCSEL的波长调谐范围。经过模拟计算当光栅周期当栅周期为Λ=200nm，占空比（光栅条宽/光栅周期）η=0.55，厚度h=100nm时，VCSEL波长调谐范围可以达到最优，相比于无内腔亚波长光栅VCSEL的波长调谐范围有了显著提高。这可以为以后实际的器件制备提供理论依据。

【关键词】VCSEL;波长调谐范围;亚波长光栅

中图分类号： TN248文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）26-0030-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.26.014

0 引言

垂直腔面发射激光器（VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）自日本学者伊贺健一首次提出后，由于其具有阈值小，易于与光纤耦合，体积小，高相干度阵列集成等特点[1-3]，所以被广泛的关注，目前VCSEL已应用在雷达、数据传输、激光打印、光通信等当中[4-5]。随着现在系统的集成度越来越高，对VCSEL的要求也随之增加，其中对VCSEL实现波长可调谐的要求是现今最为迫切的需求之一。本文提出了利用内腔亚波长光栅实现VCSEL的波长调谐，通过计算可知本文提出的内腔亚波长光栅VCSEL可以实现将近60nm的波长调谐。

1 VCSEL结构设计

图1是中心波长为850nm的内腔亚波长光栅VCSEL二维结构图。该图由下而上分别是GaAs衬底、34对n-DBR、有源区（Al0.3Ga0.7As/GaAs）、氧化限制层、2.5对p-DBR（用于电流扩展）、亞波长光栅、空气隙、16.5对P-DBR。通过改变空气隙的厚度可以实现VCSEL波长的调谐，亚波长光栅的作用是提高VCSEL的波长调谐范围，因为无内腔亚波长光栅的VCSEL其波长调谐范围比较有限[6]。

2 光栅参数对波长调谐范围的影响

图2表达的是内腔亚波长光栅厚度对VCSEL波长调谐范围的影响，此时光栅周期为Λ=200nm，占空比（光栅条宽/光栅周期）η=0.55，入射光是TE偏振。从图中可以看到随着光栅厚度从100nm增加到150nm的过程中，VCSEL的波长调谐范围逐渐变小，在光栅厚度为100nm时，VCSEL波长调谐范围可达60nm，但是当光栅厚度增加到150nm时，波长调谐范围不到40nm。因此在制备器件时光栅厚度一定要选择为100nm。

在光栅厚度h=100nm、光栅周期Λ=200nm、入射光为TE偏振时，可以发现随着光栅占空比的变化，VCSEL波长调谐范围变化相差不大，如图3所示。从图中可以看见在占空比为0.55nm时，VCSEL波长调谐范围最大，调谐范围为60nm，但是当占空比为0.37时，VCSEL波长调谐范围可以达到57nm，这就可以为将来制备器件时提供一定的误差范围，因为占空比即使偏离了0.55，VCSEL仍然可以保持高的调谐范围。

3 结论

本文通过利用内腔亚波长光栅实现了VCSEL宽波长调谐范围，通过对光栅参数的分析，得到了最优的光栅参数，从模拟结果可知，当栅周期为Λ=200nm，占空比（光栅条宽/光栅周期）η=0.55，，厚度h=100nm时，VCSEL的波长调谐范围可达60nm。通过本文的研究可以为将来制备宽波长调谐范围的VCSEL提高理论支持。

【参考文献】

[1]伊贺健一，小山二三夫.面发射激光器基础与应用[M].郑军，译.北京：科学出版社，2002，37-38.

[2]田锟，邹永刚，江孝伟，等.内腔亚波长光栅MEMS VCSELs的波长调谐范围[J].中国激光，2016，43（7）：0701009.

[3]王红英，成桢，赵小侠，等.表面涂覆胆固醇液晶-垂直腔面发射激光器的偏振特性[J].激光与光电子学进展，2014，51（11）：111402.

[4]李知峰，王红杰，王文睿，等.利用垂直腔表面发射激光器注入锁定实现上变频[J].光学学报，2014，34（2）：0206001.

[5]李硕，关宝璐，史国柱，等.亚波长光栅调制的偏振稳定垂直腔面发射激光器研究[J].物理学报，2012，61（18）：184208.

[6]江孝伟.亚波长光栅对微机电系统波长可调谐垂直腔面发射激光器的影响[J].激光与光电子学进展，2016，53（12）：120501.