（光学专业论文）光反馈对正交光注入下的多横模vcsle偏振转换特性影响的研究.pdf

西南大学硕士学位论文摘要 光反馈对正交光注入下的 多横模v c s l e 偏振转换特性影响的研究 光学专业硕士研究生：焦学敏 指导教师：夏光琼教授 摘要 垂直腔表面发射激光器( v c s e l ) 作为一种新型的半导体激光器，具有低阈 值、单纵模工作、发散角小、动态调制频率高、易实现二维集成等优点，在光通 信、光互联、图像信号处理等方而有着重要的应用前景。由于v c s e l 结构特点使 其输出可能包含两个互相垂直的偏振模，通过调节v c s e l 偏置电流或改变引入的 外部微扰的参量大小可引起偏振转换现象。其中利用正交光注入实现对偏振转换 的控制因其实验上便于实施而受到人们的额外关注。虽然v c s e l 一般为单纵模输 出，但由于其较大的横向尺寸使v c s e l 腔中可能存在高阶横模。在一定条件下， 高阶横模对v c s e l 工作特性的影响不容忽略。利用多横模v c s e l 的理论模型， 人们对正交光注入下的偏振转换和注入锁定特性进行了研究。 考虑到在实际的应用过程中，光反馈通常难于避免。因此本文着重研究光反 馈对正交光注入多横模v c s e l 偏振转换特性的影响。研究结果表明：在水平光反 馈的情况下，v c s e l 随注入强度和失谐频率的改变会发生偏振转换现象。并且随 着失谐量的改变，偏振转换所需的注入强度有两个最小值，且对应的失谐频率分 别在0 g h z 和2 2 0 g h z 附近。当失谐频率为0 g h z ，偏振转换发生在基阶x 和y 偏 振横模( l p o l 耳和l p o l y ) 之间；当失谐频率为2 2 0 g h z ，偏振转换发生在基阶x 偏振 横模和一阶y 偏振横模( l p n y ) 之间。随着水平光反馈速率的逐渐增大，各横模之 间的竞争更加激烈，但是对偏振转换没有什么影响。在正交光反馈的情况下，当 失谐频率为0 g h z ，偏振转换仍发生在l p o l 玉和l p o l ，y 模之间；但是当频率失谐为 2 2 0 g h z ，l p o l ”l p o l ，y 模最初处于共存状态，随着注入强度的增加，l p l l ，y 激射并 与l p 0 1 ”l p 0 1 y 模发生偏振转换，随后l p l l y 为主导模而l p 0 1 ”l p o l , y 被抑制。与 水平光反馈相比，正交光反馈使偏振转换所需的注入强度减小；随着正交光反馈 速率的增大，偏振转换所需的注入强度减小。 关键词：多横模，v c s e l ，光反馈，正交注入，偏振转换 兰 _ 要鉴兰至主兰笪! 垒苎a b s t r a c t i n v e s t i g a t i n go nt h ei n f l u e n c eo fo p t i c a lf e e d b a c ko n t h ep o l a r i z a t i o n s w i t c h i n gc h a r a c t e r i s t i c so f m u l t i - t r a n s v e r s e - m o d ei nv c s e l s u b je c tt o o r t h o g o n a lo p t i c a li n je c t i o n m a j o r ：o p t i c s a d v i s o r ：p r o f g u a n g q i o n gx i a a u t h o r ：x u e m i nj i a o a bs t r a c t a san e wk i n do fs e m i c o n d u c t o r l a s e r , v e r t i c a l c a v i t ys u r f a c e e m i t t i n gl a s e r s ( v c s e l s ) h a v eas i g n i f i c a n ti m p l i c a t i o np r o s p e c ti no p t i c a lc o m m u n i c a t i o n o p t i c a l i n t e r c o n n e c t i o n , m a a g es i g n a lp r o c e s s i n g ，e t c d u et ot h e i rm e r i t ss u c ha sl o wn l r e s h o l d w o r k i n gi ns i n g l el o n g i t u d i n a lm o d e , s m a l la n g l eo fd i v e r g e n c e ，h i g h d y n a m i c m o d u l a t i n gf r e q u e n c y ，e a s i l yi m p l e m e n t e dt w o d i m e n s i o ni n t e g r a t i o n b a s e do nt h e s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fv c s e l s ，t h e o u t p u tc o n t a i nc o m m o n l yt w ov e r t i c a l1 i n e a r l v p o l a r i z e dm o d e s p o l a r i z a t i o ns w i t c h i n gc a nb eh a p p e n e dt h r o u g ha d j u s t i n gt h eb i a s e d c u r r e n to rc h a n g et h ep a r a m e t e r sv a l u eo fo u t s i d e d i s t r i b u t i o n o r t h o g o n a lo p t i c a l i l 可c c t i o n 猫ac o n v c m c n tw a yt oc o n t r o lp o l a r i z a t i o n s w i t c h i n gi s o b t a i n e dg r e a t a t t e n t i o n s t h o u g ht h eo u t p u to fv c s e li ss i n g l e 1 0 n g i t u d i n a l m o d ec o m m o n l y , i te x i s t 1 1 i g h o r d e rt r a n s v e r s em o d e sf o rn l el a r g et r a n s v e r s es i z eo fa c f i v er e g i o n u n d e rc o n t 血 c o n d i t i o n , t h ei n f l u e n c e so fh i g h o r d e rt r a n s v e r s em o d e so nt h ep e r f o r m a n c eo fv c s e l c a nn o tb en e g l e c t e d a f t e rt a k i n gt h em u l t i t r a n s v e r s e m o d e s i n t oa c c o u n t t 1 1 e c h a r a c t e r i s t i c so fp o l a r i z a t i o n s w i t c h i n g i n j e c t i o nh a v e b e e ni n v e s t i g a t e d i nv c s e l ss u b j e c tt o o r t h o g o n a lo p t i c a l c o n s i d e r i n gt h er e a l i s t i ca p p l i c a t i o n , o p t i c a lf e e d b a c kc a l ln o tb ea v o i d e d s on l e i n f l u e n c e so f o p t i c a lf e e d b a c ko nt h ep o l a r i z a t i o ns w i t c h i n go fm u l t i t r a n s v e r s e - m o d ei n v c s e l ss u b j e c tt o o r t h o g o n a lo p t i c a li n j e c t i o na r ei n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r t h e r e s u l t ss h o wt h a t ，f o rt h ec a s eo fh o r i z o n t a lo p t i c a lf e e d b a c k , t h e p o l a r i z a t i o ns w i t c h i n g c a nb eh a p p e n e dt h r o u g ha d j u s t i n gt h ei n j e c t i o np o w e ra n d f r e q u e n c yd e t u n i n g w i t h t h ev a r y i n go ft h ef r e q u e n c yd e t u n i n g ，t h e r ee x i tt w oi n i n i l n u l ni n j e c t e dp o w e r s n e e d e d n 西南大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o rp o l a r i z a t i o ns w i t c h i n g ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gf r e q u e n c yd e t u n i n gf o ro b t a i n i n gt w o m i n i m u mi n j e c t e dp o w e r sa le0 g h za n d2 2 0 g h z ，r e s p e c t i v e l y f o rf r e q u e n c yd e t u n i n g i s0 g h z ，t h ep o l a r i z a t i o ns w i t c h e sb e t w e e nt h ef u n d a m e n t a lx - a n dy - p o l a r i z e dm o d e ( l p m ，】【a n dl p m ，y ) h o w e v e r , f o rf r e q u e n c yd e t u n i n g i s2 2 0 g h z ，t h ep o l a r i z a t i o n s w i t c h e sb e t w e e nt h ef u n d a m e n t a lx - p o l a r i z e dm o d ea n dt h ef i r s t - o r d e rt r a n s v e r s e y - p o l a r i z e dm o d e ( l p l1 y ) w i t ht h ei n c r e a s e o ft h eh o r i z o n t a lf e e d b a c kr a t e ，t h e c o m p e t i t i o na m o n gt h em u l t i t r a n s v e r s e - m o d e s b e c o m e sm o r e s e r i o u s l y , b u tt h e i n f l u e n c e so ft h eh o r i z o n t a lf e e d b a c ko nt h ep o l a r i z a t i o ns w i t c h i n ga len o to b v i o u s a t t h ec o n d i t i o no fo r t h o g o n a lo p t i c a lf e e d b a c k , f o rf r e q u e n c yd e t u n i n gi s0 g h z ， p o l a r i z a t i o n s w i t c hs t i l lb e t w e e nl p o l ，】【a n dl p o l ，y b u tf o rf r e q u e n c yd e t u n i n gi s 2 2 0 g h z ，l p m ，】【a n dl p 0 1 ym o d e sc a nb ec o e x i s t e da tf i r s t w i t hi n c r e a s eo fi n j e c t i o n p o w e r , l p n ，y m o d el a s ea n ds w i t c h 谢n 1l p o l a n dl p m ，ym o d e s t h e nl p n ，yb e c o m e t h ed o m i n a t em o d e ，l p o l 】【a n dl p o l ，ym o d e sa l es u p p r e s s e d a tt h ec o n d i t i o no f o r t h o g o n a lo p t i c a lf e e d b a c k , t h ei n j e c t i o np o w e rn e e d e df o rp o l a r i z a t i o ns w i t c h i n gi s s m a l l e rt h a nt h ec a s eo fh o r i z o n t a lo p t i c a lf e e d b a c k w i t ht h ei n c r e a s eo ft h eo r t h o g o n a l f e e d b a c kr a t e ，t h ei n j e c t i o np o w e rn e e d e df o rp o l a r i z a t i o ns w i t c h i n gi sd e c r e a s e d k e y w o r d s ：m u l t i t r a n s v e r s e m o d e ，v c s e l ，o p t i c a lf e e d b a c k ，p o l a r i z a t i o ns w i t c h i n g h i 独创性声明 学位论文题目丝厦堡过垂童堂注王的垒撞撞y 曼坠壁堡握整逸 墅堕挂丝的婴究 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得西南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者：盈l 孚敛 签字日期：加口年争月p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：财不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：锤f 孚旋导师签名： 签字日期：加o 年厂月o 日签字日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 耍芝孝 2 o 年箩月t o 日 电话： 邮编： 西南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 垂直腔表面发射器的结构和优点 随着光纤通信系统不断向着高速率、大容量方向演进，低成本高性能的光 源在通信系统中的重要作用日盏显现出来。目前，光纤通信系统中应用的光源多 为边发射激光器( e e l ) 但是此类光源成本相对较高，存在体积较大，难以制造 成半导体阵列等缺点。而垂直腔表面发射激光器( v c s e l ) 作为目前新型光电器 件，也是光通信中革命性的光发射器件，困其结构特点具有诸多优点。 图1 折射率导引v c s e l 的结构示意图 v c s e l 从顶部看就像一个磁盘。一般直径在几微米到几十微米左右，1 0 0 直径的v c s e l 也已制造出来。v c s e l 器件主要由三大部分组成：上、下分布的 布拉格发射镜( d b r ) 和中间的光学谐振腔。其中最重要的部分就是光学谐振腔， 也叫有源区。有源区有两种结构：体异质结和量子阱( q w ) 。量子阱结构的激光 器具有更低的闽值更高的量子效率和极好的温度特性，是获得大功率输出的最 佳器件，对于电流注入型的器件通常采用的都是量子阱结构。量子阱是指由两种 不同的半导体材料相间排列而成，具有明显的量子限制效应的电子或空穴的势阱。 由于量子阱宽度的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局域化。在由两种不 同的半导体材料薄层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻 势阱之间的载流子波函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱， 称为多量子阱。本文研究的是折射率引导的多量子阱结构v c s e l ，如图( 1 ) 所示。 有源区为柱状结构，由多量子阱构成，总厚度为单个量子阱厚度之和。有源区上 下两部分为柱状p 型和n 型的d b r 。p - d b r 外侧为环状离子植入区，用于对注入 电流和内部光场进行限制。n - d b r 下面是衬底，激光器上下端分别为金属电极， 上端为正电极，下端为负电极。 光从有源区激射出来，经过上下两个反射率高达9 9 以上的d b r 反射后从顶 部射出，其出射光为圆形对称光斑发散角非常小，仅在1 0 度左右。由于出射光 的横截面为圆形光斑，非常有利于器件直接与光纤耦合以及在自由场的耦台中间 罨 西南大学硕士学位论文第一章绪论 可以不需加任何光学耦合系统。由于v c s e l 腔长极短，导致相邻纵模间距很大， 在材料增益带宽内只有一个模式获得足够的光增益而抑制其他模式的激发，这样 使v c s e l 易在较宽范围的温度下实现单纵模工作。 v c s e l 的结构使它较传统的边发射激光器相比，有如下优点： 1 v c s e l 的谐振腔体积很小，易于产生微腔效应，实现极低的阈值电流激射。 2 v c s e l 的谐振腔较短，只有0 2 几个微米，而传统的边发射激光器的腔长 是3 0 0 t m 左右，这样在很宽的温度和电流范围内，v c s e l 更易实现动态单纵模， 动态调制频率高。 3 v c s e l 的有源区截面呈方型或圆对称型，其基模是高斯分布，光束窄且圆， 方向性好，同时由于高反射率的布拉格反射镜的影响，容易实现激光输出，发散 角小，易于于光纤耦合。而传统的边发射激光器有源区截面成长方形，光束并非 圆对称，纵模间距也很小，腔内存在多纵模。 4 v c s e l 的出光方向垂直于衬底平面，它的排列形式为面阵形式，利于实现 光集成，因此特别适合于平行光互联和信息处理。 5 v c s e l 的器件截面积及管芯都很小，可实现高密度集成，还可以制作锁相 阵列。而传统的边发射激光器很难实现高密度集成。 6 v c s e l 的传输信息量要比传统的边发射激光器大的多。 由于v c s e l 的上述优点使其具有更广阔的发展和应用前景。目前其应用范围 已经涵盖了光通信、光互连、光交换、光存储、军事、航天、扫描、打印以及光 传感等诸多领域。 1 2v c s e l 的发展历史 自1 9 7 7 年东京工业大学的i g a 提出了v c s e l 的设想，两年后他们发布了第 一个低温7 7 k 脉冲工作的v c s e l 元件，其使用的材料是i n g a a s i n p ，激射波长 是1 3 , u m ，反射镜是金锌合金，阈值电流高达9 0 0 m a 【1 1 。1 9 8 0 年后，人们开始认 识到短谐振腔构造有利于实现低阈值激射，并在低温下得以实现。但在光纤低损 耗波段工作的i n g a a s i n p 系列是非辐射复合，所以对反射镜的反射率要求比后来 广泛应用的g a a s 系列更为严格，导致该波长下连续工作的v c s e l 经很长时间才 得以实现。1 9 8 4 年后，人们开始研究基于g a a s 的面发射激光器。1 9 8 6 年，嵌入 式构造的脉冲v c s e l 面世，其阈值电流仅为6 m a ，腔长为7 p m ，直径为6g m 【2 】。 v c s e l 与普通边发射激光器有很大的不同。边发射激光器的有源区增益长度 即为法布里珀罗( f - p ) 谐振腔的长度( 1 0 。4 m 量级) ，而v c s e l 器件由于谐振腔 垂直生长面，其有源层的厚度决定了增益区的长度。因此v c s e l 的单程增益要小 的多，若要增强其光强，只能提高有源区材料的增益系数和腔面的反射系数【3 1 ，目 2 西南大学硕士学位论文第一章绪论 前提高有源区材料增益系数的方法是采用量子阱结构【4 】。1 9 8 8 年，贝尔实验室等人 将有源层层厚缩小到单量子阱的极限厚度，并利用光激励实现了室温下的连续工 作【5 1 。应变量子阱结构应用于v c s e l 有源层使器件得到进一步优化 6 - 9 。此外，加 州大学的c o l d r e n 和乌尔姆大学的e b e l i n g 等人分别得到了阈值为0 7 m a 和0 6 5 m a 的面发射激光器【1 0 1 1 1 。提高光强的另一途径是增加腔面的反射系数，现在广泛采 用的反射镜是分布布拉格反射镜 1 2 - 1 8 】，利用两种不同类型的半导体材料以激射波 长光学厚度交替生长所产生的干涉效应可实现对入射光的强反射，其反射率可达 9 9 以上，极好的解决了低单程增益问题。 自此面发射型激光器的发展才打开了新的纪元，进而发展十分迅速。1 9 9 1 到 1 9 9 4 年，分别实现了波长在9 8 0 n m 、1 3 1 0 r i m 、1 5 5 0 n m 的室温下连续工作。8 5 0 n m 和9 8 0 r i m 波段的v c s e l 制作工艺已经比较成熟，且得到商用。但是对于8 5 0 r i m 的v c s e l 由于波长短而输出功率不高，更多的应用在短距离光纤通信以及无线关 通信系统中。9 8 0 n m v c s e l 在高功率方面也取得了显著进展，德国u l m 大学的研 究人员制成室温连续输出功率高达8 9 0 r o w 的面发射激光器。1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 n m 的v c s e l 分别处于光纤的低色散和低损耗窗口，所以这两个波区主要应用于长距 离光纤通信和波分复用系统( w d m ) 。如今对于v c s e l 的研发主要集中在高密度 二维集成、波段在1 3 1 0 1 5 5 0 n m 的长波长器件和波长连续可调等方面。在高密度 二维集成方面，1 9 9 9 年，日本东京大学和德国维尔兹堡大学的研究人员报道了室 温下从光泵浦垂直腔面发射激光器二维列阵中获得蓝光发射( 3 9 9 n m 波长) 。这种 器件的列阵可望大大降低高密度光学存储器的读取时间。同一年，桑迪亚国家实 验室利用反传导耦合，研究制作了发射波长的两个强烈耦合锁相列阵垂直腔面发 射激光器( 具有同相发射) ，这一发展为以不同衍射极限光束质量的高功率垂直腔 面发射激光器为基础的发射器铺平了道路；在1 3 1 0 1 5 5 0 n m 的长波长的研究方面， 由于传统i n p 基材料的光热特性较差，相关研究一直进展缓慢。2 0 0 0 年，圣巴巴 拉加州大学研究小组发展了第一个室温运转、输出波长1 5 5 0 n m 的电抽运、全晶格 匹配、砷锑化合物单块垂直腔面发射激光器，室温下阈值电流为7 m a ，高温时( 4 5 。) 阈值电流为1 5 5 m a 。目前普遍考虑利用g a a s 基或i n p 基有源区来制作长波长的 v c s e l ；在实现连续可调方面，可利用光反馈形成外腔激光器或通过调整激光器谐 振腔长来实现。c h a n g h a s n a i n 等人提出并实现基于微机电系统( m e m s ) 的波长 连续可调v c s e l 拶j 。 由于v c s e l 可批量生产，性能高，易于检验与封装，成本低，与光纤耦合较 好，v c s e l 必将与边发射激光器产生激烈的竞争。随着光互联及二维光信息的处 理发展、微小尺寸，极低功耗和高集成度激光器阵列的需求将日益增长。v c s e l 正具有高密度、传输率高、平行光传输和易于进行二维空间组合的特点，是理想 3 西南大学硕士学位论文第一苹绪论 ! i 量曼曼曼曼皇曼曼! 曼曼曼! 曼曼曼曼曼皇! 曼! 曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼! 皇曼曼曼曼皇曼曼舅舅曼曼曼曼曼曼曼苎曼曼量曼曼曼皇曼! 曼曼皇曼! 曼璺曼量皇曼曼曼曼量曼皇曼! 曼 的集成光电子学有源器件和空间光学及计算机并行处理的器件。v c s e l 的高速响 应使其在波分复用( w d m ) 光纤通信、计算机中的芯片光互连和自由空间光互连 等方面有着广泛的应用前景。 在光纤通讯中，随着局域网( l 埘) 带宽的拓宽，千兆位以太网和其他高速 l a n 协议的需求，为满足低成本的多模光发射器和光纤的要求，在w d m l a n 系 统中，多波长v c s e l 阵列将成为理想的“波长工程”器件【2 0 1 。人们开始设计制作 多波长阵列，现在主要是在激光腔内引入少量厚度渐变层和用载流子等离子体以 及热效应等方面考虑。目前已经陆续有人报道制作出了多波长v c s e l 阵列。 由于v c s e l 的商业价值，众多的电子公司h o n e y w e l l ，h p 等全面研发。目前 市场上主要产品有8 5 0 n m 的通讯用v c s e l 和7 8 0 n m c d 、d v d 、激光打印模块。 些高校和科研单位也正在积极开展v c s e l 的研究。如美国的b e l ll a b ， c a l i f o r n i a 大学，日本东京工业大学，三洋电器公司等，国内从事v c s e l 实验和 理论研究的主要有中科院半导体所，吉林大学，北京工业大学等。 1 3v c s e l 偏振特性的研究状况 1 3 1v c s e l 的偏振机理 由于v c s e l 的结构和材料特性，使其具有双折射和二向色性效应，致使 v c s e l 的输出可能包含两个互相垂直的偏振光。一束光进入各向异性媒质中时， 会有两束折射光，这种现象称为双折射现象。由于各向异性晶体内存在着两个互 相垂直的主振动方向，光在晶体内的传播就分解为沿着这两个互相垂直的主振动 方向，且在不同的振动方向上，光传播速度也是不同的。我们把一条沿着一个振 动方向的光称为o 光，也叫寻常光，其特点是光在晶体内传播遵从折射定律，即 入射角正弦与折射角正弦的比值为该光在晶体里的折射率；一条沿着另一个振动 方向的光称为e 光，也称为非寻常光，它在晶体内传播并不服从折射定律，它的 折射光线可以不在入射面内并且入射角正弦与折射角正弦的比值不为常数，随着 入射角而改变。 二向色性是指各向异性材料对不同的偏振方向的光具有不同的吸收系数的特 性，由于材料的二向色性使不同方向的光增益不同。 根据光的电磁理论，光的电场矢量末端在空间做无规则运动，不显示出任何 有倾向的方向性，这样的光为自然光或非偏振光。而如果给光的电矢量无规则运 动赋予某种秩序，即光的电矢量的振动只限于某一确定的方向的光，我们称为平 面偏振光。若该光的电矢量取向只限于某一平面，这样的光我们称为线偏振光。 垂直腔表面发射激光器的偏振光实际上都是线偏振光【1 4 2 1 1 。由于半导体材料往往 都是各向异性的，当光在这样各向异性材料中传播，由于双折射，使出射光有不 4 西南大学硕士学位论文第一章绪论 同方向的偏振模式，且存在一定的相位差；又由于材料的二向色特性，对不同折 射率的光吸收不同，则光增益不同。除了半导体材料本身具有的这两个特性外， 若注入电流引起的热效应，激光器在激射过程中衬底温度的变化，晶轴的各向异 性增益，腔的几何结构以及注入光和反馈光等，都可以使v c s e l 的激射光在不同 的方向上强度不同，产生光的偏振现象。 由于半导体材料的双折射、二向色特性和v c s e l 腔的结构对称性，它发射出 的光一般是两条互相垂直晶轴方向的线偏振光，而且两束光增益不同，有微小的 频率差。当电流或光反馈、光注入等附加自由度引入后，输出的线偏振光方向可 能发生转换，出现偏振转换( p s ) 效应。 偏振转换可以从高频到低频( 第一类p s ) 和从低频到高频( 第二类p s ) 。当 偏置电流达到阈值电流后，v c s e l 一个线性偏振光开始激射，随着偏置电流的增 大，或者温度变化、附加自由度后，另_ 偏振光起振，并且两个互相垂直的偏振 光会发生偏振转换现象。 1 3 2v c s e l 偏振特性研究现状 v c s e l 输出偏振光并不稳定，会因电流改变或外部扰动而发生偏振转换现象， 故v c s e l 的偏振特性及其偏振转换特性得到学者们的普遍关注。c m a s o l l e r 等人 在考虑了横向效应和偏振效应的情况下，研究了直流电流调制下v c s e l 的偏振特 性【2 2 】，得出在大信号和小信号的调制情况下，p s 电流附近的输出特性相差较大。 然而，非对称电流注入也会引起偏振转换。当注入非对称电流时，出射光大部分 被偏置到垂直于电流通路的方向，且注入电流越大，被偏置到垂直于电流通路方 向的出射光越多【2 3 之4 1 。ys a t o 2 5 】等人通过实验得出，当v c s e l 处于0 。或9 0 。的 线偏振光时，注入更大的非对称电流，这个线偏振光的方向会垂直于连接两个电 极的方向。 光注入也会引起偏振转换，其中光注入包括光自注入和光外部注入，也可划分 为偏振选择和偏振旋转注入等。z gp a n 2 6 】和j m a r t i n r e g a l a d 0 1 2 7 1 等人通过实 验得出：使注入电流不变，给激光器注入与之激射出的光垂直的光信号，出射光 发生偏振转换。m s m i g u e l 在采用半经典的m a x w e l l b l o c h 理论描述v c s e l 腔 内电磁场的相互作用的同时，考虑了半导体导带与价带中的次能级结构，引入了 输出光场的偏振自由度，提出了自旋反转模型( s f m ) ，该模型成为研究v c s e l 偏 振特性的重要理论依据【2 引。也有学者通过在多模l a n g k o b a y a s h i 方程中唯像地引 入随电流变化的光增益，成功模拟了v c s e l 的p s 效应，这一扩展为简化偏振问 题中较复杂的数值运算提供了便利【2 9 3 0 1 。 p s 效应对于反馈光的强度和延时是非常敏感的，对于长外腔和短外腔都是如 5 西南大学硕士学位论文第一章绪论 此 3 1 , 3 2 1 。较强的偏振选择注入可确保v c s e l 稳定输出在相应的偏振方向上，偏振 保持注入常引起多次偏振跳变一p s 隧道效应 3 0 , 3 3 】。当v c s e l 在阈值附近工 作时，光注入在引起输出低频振荡的同时还会导致两个正交偏振模式产生反相位 波动【3 4 , 3 5 。当选择与被注入偏振方向相同的注入时，即平行注入，将历经分岔、 混沌和注入锁定等状态；当选择与被注入的v c s e l 偏振方向垂直的注入时，即垂 直注入，在发生偏振跳变的过程中，同样会经历丰富的动态演变【3 6 了7 1 。在偏振跳 变点附近，噪声对于两个偏振模式的持续时间具有决定作用；根据统计学观点， 学者们发现某个模式的持续时间最集中地分布在注入延时附近【3 引。也有学者提出， 偏振垂直注入可看作是非相干注入，它仅影响载流子的数量，对载流子的谐振频 率没有影响，利用这一特性进行混沌同步通信，可以降低系统难度，这也在后来 的实验中得到了验证【3 9 删。 研究p s 效应时，一类研究中参数值的变化方向为从d , n 大，即正向扫描；另 一类研究发现，改变参数的扫描方向，即参数从大g u d , 变化后，p s 的位置与正向 扫描时不重合，该现象被称为偏振双稳【2 9 ，3 刀。正向扫描和反向扫描对应的两个点 之间的区域称为偏振双稳区域。由于v c s e l 的偏振双稳特性在光开关、光存储和 光逻辑运算等领域具有广泛的应用前景，近年来关于该课题的研究正逐渐兴起。 研究内容涉及电流、注入和反馈强度的扫描方向改变时v c s e l 的双稳特性以及器 件参数对双稳区域宽度和位置的影响等【2 6 2 9 ，3 7 1 。实际上，除了扫描方向可变化外， 被扫描参数大小的变化是一个过程，该过程的快慢将影响偏振的双稳特性。前不 久，c m a s o l l e r 和j p a u l 等人分别通过实验和数值方法讨论了电流扫描速度的快 慢对偏振双稳特性的影响【4 1 ，4 2 1 ，他们指出增大电流扫描速度后双稳区域将被拓宽。 除此之外，注入式v c s e l 中还常常涉及注入强度和频率失调等参数的改变，这也 是一个过程，因此有必要对这些现象进行分析，并寻求相应的物理和数学解释。 随着互注入在边发射激光器上的应用，开始有学者将目光转向互注入的研究 上。利用v c s e l 互注入系统后，其偏振特性将对互注入系统的动态演变产生影响， 反过来，互注入这一附加自由度也可以改变输出的偏振特性。这些课题的研究对 我们深入认识光注入下这一典型非线性系统，理解v c s e l 偏振的物理本质以及控 制其输出特性等具有十分重要的意义。r v i c e n t e 等人对互注入的偏振双稳特性进 行了初步的分析【4 3 】。但总的来讲，互注入系统的研究尚处于起步阶段，有许多问 题需要我们深入分析。 以上的研究表明，光注入、光反馈、电流非均匀注入，互注入等方式都对偏 振转换产生很大的影响，我们可以利用他们对偏振转换进行控制。除了以上的方 式，还可以采取对激光器本身材料和结构的改变或者外部光学器件的使用使偏振 得到控制，如改变面发射激光器的生长方向m 】，使用偏振器选择偏振模式【4 5 】，利 6 两南大学硕士学位论文第一章绪论 用金属光栅控制偏振态等【4 引。 1 4 多横模v c s e l 的研究发展 虽然由于v c s e l 的腔长较短而易于实现单纵横模工作，但有源区仍相对较宽， 偏置电流的增加或一些外部扰动都可能会使v c s e l 激射高阶横模，在一定条件下， 高阶横模会影响v c s e l 的动态特性。因此，对多横模的研究也是十分必要的。c h c h o n g 和j s a r m a 4 7 】研究了不同偏置电流注入下的v c s e l 载流子分布特性， v c s e l 结构对载流子分布的影响，得出有源区半径不大的时候，当偏置电流高于 阈值电流后，基模仍获得最大的模式增益并保持主激射模状态：当有源区半径增 大后，随着偏置电流的增大，高阶横模激射并可能保持主激射模状态。a v a l l e 4 8 4 9 】 等人分析了高阶横模竞争的动态特性，他们研究了一阶模和二阶模的光功率和增 益情况，当偏置电流稍大于阈值电流时，一阶模占主导地位，但是当电流远高于 阈值电流后，二阶模成为主激射模。在稳定的激光输出情况下，空间烧孔效应对 模式选择起了很大的作用，仅仅微小的增益差就会导致一个模式为主激射模而抑 制另外的模式激射。若不同模式的偏振光空间分布是分散的，则这些模式在一定 的偏置电流下是可以共存的( 如基阶和高阶模) ；若不同模式的偏振光的空间分布 是交叠的，则模式间存在很大的竞争( 如一阶和二阶模) ，一个模式的激射可能导 致另一个模式被抑制。 通过调节外部反射镜，即调节光反馈的延迟速率，可增加或减少所期望模式 的阈值电流进而对横模选择【5 们。通过调节光反馈强度，横模也呈现出复杂的动态 【5 1 1 。当给注入电流调制千兆赫兹的频率时，一些模式可以达到更高的强度，进而 进行选模【5 2 】。s a t u b y 和o r e n s t e i n 分别从理论和实验上分析了多横模v c s e l 小信 号调制特性以及模式耦合的影响，发现不同模式对应不同调制响应峰值频率【5 3 5 4 。 t o r t e 等人对v c s e l 小信号调制特性的研究得出，模式和载流子耦合是决定器件 调制响应的关键，不同注入电流下，调制响应可能出现峰值和谷值，这正反映了 工作模式间对载流子的竞争，所以整个器件的调制响应可以从这些模式中得到【5 5 1 。 李孝峰等人研究了环形电流注入和盘形电流注入对多横模的影响，指出当盘注入 孔径越小，注入环越靠近有源区中心时，基阶模越容易激射；反之，高阶模将开 始出现并使低阶模强度降低；同样，偏置电流越低，电流向注入区域外扩散越弱， 则器件单横模的特性越好；环形注入时，一阶和二阶模的竞争较盘形注入方式更 为强烈【5 6 】。z h a n g 等人分析了模式竞争特性，通过仿真观测空间烧孔效应和横模竞 争，并详细讨论了注入电流几何形状以及电流扩散对多横模特性的影响【5 7 1 。在实 验上，还可以用空间滤波器在空间进行选模【5 引。 光注入对多横模效应也有很大的影响【5 2 】。弱水平光注入可使被注入激光器稳 7 西南大学硕士学位论文第一章绪论 定的输出注入光方向上的偏置光，并且在大范围的电流调制下，仍可保持基模输 出【5 9 】。正交光反馈可更方便控制偏振光和偏置转换，由于高阶模的影响，随着失 谐量的改变，偏振转换所需的注入强度有两个最小值，被注入激光器的一阶横模 被注入光锁定【鲫。 1 5 本文研究内容 由于v c s e l 结构特点使其输出可能包含两个互相垂直的偏振光，通过调节 v c s e l 偏置电流或改变引入的外部微扰的参量大小可引起偏振转换现象。其中利 用正交光注入实现对偏振转换的控制因其实验上便于实施而受到人们的额外关 注。虽然v c s e l 一般为单纵模输出，但由于其较大的横向尺寸使v c s e l 腔中可 能存在高阶横模。在一定条件下，高阶横模对v c s e l 工作特性的影响不容忽略。 利用多横模v c s e l 的理论模型，人们对正交光注入下的偏振转换和注入锁定特性 进行了研究。 考虑到在实际的应用过程中，光反馈通常难于避免。因此本文着重研究光反 馈对正交光注入多横模v c s e l 偏振转换特性的影响。各章节的划分和内容如下： 第二章介绍了单横模v c s e l 的理论和偏振转换特性，分为两个部分：首先介 绍了单横模的自旋反转速率方程，也是本文研究工作的基础理论之一；其次介绍 了光反馈和正交光注入对偏振转换的控制和影响。 第三章介绍了多横模的理论模型，首先对空间烧空效应引起的不同模式的空 间场强分布做了详细的描述，并且介绍了空间烧空效应的多横模速率方程；其次 对自旋反转模型和空间烧孔效应结合的速率方程做了介绍，也是本文理论模型的 基础。 第四章探讨了光反馈对正交光注入下的多横模v c s e l 的偏振转换特性的影 响，先详细描述了加入注入项和反馈项的速率方程，其次分别对水平光反馈和正 交光反馈对正交光注入下的v c s e l 的偏振转换影响做了仿真模拟和结果分析。 由于本文中考虑了载流子的扩散效应，即出现了二阶偏微分的方程，只用四 龙格库塔俨然已经不实用，在计算中，应用的是有限差分法和龙格库塔来进行数 值仿真模拟。 西南大学硕士学位论文第一章绪论 参考文献 【l 】h s o d a , k i g a , a n dc k i t a h a r a “g a i n a s p i n ps u r f a c ee m i t t i n gi n j e c t i o nl a s e r s ，” j a p a n e s ej a p p l p h y s ，19 7 9 ，18 ，2 3 2 9 2 3 3 0 2 】k i g a , s k i n o s h i t a , a n df k o y a m a m i c r o c a v i t yg a a l a s g a a ss u r f a c e e m i t t i n g l a s e rw i t hi t i l = 6 m h , ”e l e c t r o n l e t t ，1 9 8 7 ，2 3 ，1 3 4 - 1 3 6 【3 】b j t h i b e a u l t ，k b e r t i l s s o n ，a n de r h e g b l o m ，e ta l 。 h i g h s p e e dc h a r a c t e r i s t i c s o fl o w - o p t i c a ll o s so x i d e - a