（光学专业论文）光脉冲注入下vcsel的偏振开关特性研究.pdf

西南大学硕士学位论文 摘要 光脉冲注入下v c s e l 的偏振开关特性研究 光学专业硕士研究生：杨炳星 指导教师：夏光琼教授 摘要 垂直腔面发射激光器( v c s e l ) 多年来受到了国内外科技界和企业界的高度关 注。v c s e l 是一种新型的半导体激光器，较传统的边发射激光器来说具有低阈值， 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， 图像信号处理等方面有着重要的应用前景。 由于v c s e l 的激光腔一般为匀称的圆柱形，其增益介质也为匀称的圆柱形， 有很弱的各向异性，这导致了v c s e l 输出光的偏振特性不稳定。在阂值电流附近， v c s e l 通常输出一种偏振态。随着外部注入电流的增加，v c s e l 输出的正交化的 矢量偏振将会相互转换。光注入可以控制v c s e l 的偏振转换，从动态稳定性机理 及在高密度光存储和光信号处理方面的应用来看，光注入已引起了人们的广泛关 注。 本文基于描述主、副垂直腔表面发射激光器( m v c s e l 、s v c s e l ) 的速率 方程，研究了m v c s e l 在脉冲电流调制下，输出光脉冲的偏振特性，以及s - v c s e l 在m v c s e l 输出光脉冲的注入下，其偏振开关特性。研究结果表明：m - v c s e l 在周期性脉冲电流的作用下，将产生周期性光脉冲输出；s v c s e l 在该光脉冲的 注入下，输出光将在两个互相垂直的方向之间发生周期性转化，且变化周期与 m v c s e l 所受到的调制脉冲电流周期相同；通过改变m v c s e l 驱动脉冲电流的 调制幅度，可控制s v c s e l 输出的垂直偏振抑制比。 关键词：垂直腔表面发射激光器( v c s e d ；光脉冲；偏振开关 西南火学硕j ：学位论文a b s t r a c t s t u d i e so np o l a r i z a t i o ns w i t c h i n gp e r f o r m a n c e o fv c s e l s u b je c t e dt oo p t i c a lp u l s ei n j e c t i o n m a jo 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 ：b i n g x i n gy a n g a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，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 sc v c s e l s ) h a v ea r o u s e dg r e a ti n t e r e s t a m o n g s ts c i e n t i s t sa n de n t e r p r i s e si nc h i n aa n da b r o a d a san e wk i n do fs e m i c o n d u c t o rl a s e r ， v c s e lh a v es u c hm e r i t sa sl o wt h 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 f d i v e r g e n c e ，h i g hd y n a m i cm 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 t h a nc o n v e n t i o n a le d g ee m i t t i n gl a s e r s v c s e lh 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 l c o m m u n i c a t i o n ，o p t i c a li n t e r c o r m e c t i o n ，i m a g es i g n a lp r o c e s s i n g ，e t c w i t hi t si n c r e a s i n ga p p l i c a t i o n , t h er e s e a r c ho fv c s e l so p t i c a lo u t p u tc h a r a c t e r i s t i cb e c o m e sv e r yi m p o r t a n t s i n c ev c s e ln o r m a l l ya r es y m m e t r i ci ns t r u c t u r e ，t h ep o l a r i z a t i o no ft h ef u n d a m e n t a l t r a n s v e r s em o d ei nv c s e li s g e n e r a l l yn o tf i x e d n e a rt h et h r e s h o l dc u r r e n t , v c s e ln o r m a l l y o p e r a t ei no n el i n e a r l yp o l a r i z e df u n d a m e n t a lt r a n s v e r s em o d e w h e nt h eb i a sc u r r e n ti si n c r e a s e d ， t h ep o l a r i z a t i o no f t e ns w i t c h e st ot h eo r t h o g o n a lp o l a r i z a t i o n t h eo p t i c a li n j e c t i o nf r o ma l le x t e r n a l s o u r c eo fl i g h tm a yh e l pt oc o n t r o lo rs t a b i l i z et h ev c s e lp o l a r i z a t i o na n di t ss t u d yi si n t e r e s t i n g b o t hf r o mt h ep o i n to fv i e wo fd y n a m i c a li n s t a b i l i t i e sa n df o ra p p l i c a t i o n si nh i g hd e n s i t yo p t i c a l s t o r a g ea n do p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n g 7 b a s e do nt h e 。r a t ee q u a t i o n sd e s c r i b i n gm a s t e ra n ds l a v ev e r t i c a lc a v i t ys u r f a c ee m i t t i n gl a s e r ( m - v c s e l ，s - v c s e l ) ，u n d e rt h em o d u l a t i o no fp u l s e b i a s e dc u r r e n t ，t h e p o l a r i z a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fm - v c s e lo u t p u ta n dt h ep o l a r i z a t i o ns w i t c h i n gp e r f o r m a n c eo fs - v c s e l s u b j e c t e dt oo p t i c a lp u l s eo u t p u tf r o mt h em v c s e lh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a ta p e r i o d i c a lp u l s ec a nb eo b t a i n e db ya d d i n gap e r i o d i c a lp u l s ec u r r e n to nt h em v c s e l ；u n d e r i n j e c t i o no ft h eo p t i c a lp u l s ef r o mm v c s e l ，t h eo u t p u tp o w e ro fs v c s e lw i l ls w i t c h p e r i o d i c a l l yb e t w e e nt w oo r t h o g o n a lp o l a r i z a t i o n s ，a n dt h ep e r i o di se q u a l t ot h ep e r i o do ft h e m o d u l a t e dc u r r e n ti nm - v c s e l ；t h r o u g hc h a n g i n gt h em o d u l a t e da m p l i t u d eo fc u r r e n ti n m - v c s e l ，t h eo r t h o g o n a lp o l a r i z a t i o ns u p p r e s s i o nr a t i o ( o p s r ) c a nb ec o n t r o l l e de a s i l y k e y w o r d s ：v e r t i c a lc a v i t ys u r f a c ee m i t t i n gl a s e r ( v c s e l ) ；o p t i c a lp u l s e ；p o l a r i z a t i o ns w i t c h i n g n 独创性声明 学位论文题目：光脉冲注入下v c s e l 的偏振开关特性研究 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已 加了标注。 学位论文作者：j 强舅衰銎签字日期：弘矽年夕月夕日 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部可以将学 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：囤不保 密，口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：胡触导师签名： 交芝影 签字日期：劢研年乡月j - 日 签字日期：年月 日 西南大学硕士学位论文 绪论 一1 iii|ii 曼曼曼曼曼鼍曼曼曼皇! ! 氅 第一章绪论 1 1 垂直腔面发射激光器的发展历史 垂直共振腔表面发射激光器，简称垂直腔面发射型激光器，在半导体激光器历 史中发展虽较晚，但其研究也超过2 0 年以上，从1 9 7 7 年日本东京工业大学的伊贺 教授实验室首先提出面射式激光的概念，并于1 9 7 9 年使用液相外延技术( l p e ) 实 现i n g a a s i n p 材料的v c s e l 在液氮温度7 7 k 下脉冲激射，阈值电流9 0 0 m a 【1j 。而 室温脉冲激射激光至1 9 8 4 年才出炉【2 1 ，也是伊贺实验室做出的a 1 g a a s g a a s 面 射型激光器，自此面射型激光发展才打开了新的纪元。此后，v c s e l 的潜力得到 人们的广泛认识，进而发展十分迅速。1 9 9 1 年实现了波长为9 8 0 n m g a a s i n g a a s 系列的v c s e l 室温连续工作【3 】，1 9 9 3 年实现了1 3 1 0 r t m 的i n g a a s p i n p 的v c s e l 的室温连续工作【4 1 ，同年夏天实现了6 7 0 n m 室温连续激射。1 9 9 4 年实现了1 5 5 0 r i m 的i n g a a s p i n p 的v c s e l 的室温连续工作【5 】，同年，蓝绿光的垂直腔面发射激光 器已经引起人们的注意。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i n g a n 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出时间。而在 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8 6 8 n m 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。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、输出波长为1 5 5 0 r i 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 0 c ) 阈值电流1 5 5 m a 。 通过采用新材料和新工艺，特别是发展出g a a s 基d b r 和i n p 基增益材料之间的 键合技术【6 】和调整g a l n n a s g a a s 中h l 和n 的含量，可以得到与g a a s 晶格匹配的直 接带隙材料或应变量子阱材料，也使得长波长v c s e l 的研制获得突破，a k a r i m j b o w e r s 等人利用直接键合技术把g a a s a i a s 布拉格反射镜键合到h l g a a s p 有源区 上，把1 5 5 0 n r nv c s e l 的连续激射温度提高蛰j 1 0 5 c 1 6 1 ，v j a y a r a m a n 等人也利用该键 合技术获得1 3 4 。c 的连续激射( 工作波长为1 3 2 0 1 1 m ) f 】。j b o u c a r t 等人直接在i n g a a s p 有源区上外延g a a s a i a s 布拉格反射镜，外延质量良好，并获得4 7 的连续激射【8 】。 就v c s e l 本身而言，以后的工作朝着开发新波长，新结构，改善横模和偏振控制 特性，降低成本，降低阈值的方向上p 叫列。 1 2 垂直腔面发射激光器的结构及几种新工艺 西南大学硕十学位论文 绪论 1 2 1v c s e l 的结构以及工作原理 典型的v c s e l 结构如图1 1 所示，其有源区由多量子阱组成，有源区上下两 边分别由多层四分之一波长厚的高低折射率交替的外延材料形成的d b r ，相邻层 之间的折射率差使每组叠层的b r a g g 波长附近的反射率达到极高( 9 9 ) 的水平， 需要制作的高反射率器的对数依据每对层的折射率而定，激光器的偏置电流流过 反射器，它们是高掺杂的以便减小串联电阻。由一组少量的量子阱提供光增益， 典型的量子阱数为1 至4 个，它们被置于驻波图形的最大处附近，以便获得最大 的受激辐射效率而进入振荡场v c s e l i l 8 - 2 3 】。出射光方向可以是顶部或衬底，这主 要取决于衬底材料对所发出的激射光是否透明以及上下d b r 究竟那一个取值更大 一必。 卜弘瓣 图1 1v c s e l 的结构示意图 v c s e l 与传统边发射激光器不同的结构带来了许多优势：小的发散角和圆形 对称的远、近场分布使其与光纤的耦合效率大大提高，现已证实与多模光纤的耦 合效率竟能大于9 0 ；v c s e l 的光腔长度极短，导致其纵模间距拉大，可在较宽 的温度范围内实现单纵模工作，动态调制频率高：腔的体积减小使得其自发辐射 因子较普通端面发射激光器高几个数量级，这导致许多物理特性大为改善；可以 在片测试，极大地降低了开发成本；出光方向垂直衬底，可实现高密度二维面阵 的集成；最吸引人的是它的制造工艺与发光二极管( l e d ) 兼容，大规模制造的成本 很低。 1 2 2 氧化物限制工艺 近年来，基于氧化物隔离对器件的载流子和光子的限制作用而制备的v c s e l 器件在器件的阈值电流密度，电光转换效率，对出射激光的模式控制以及偏振的 2 西南大学硕士学位论文 绪论 选择等性能方面显现出非常大的进步 2 4 , 2 5 】。氧化物限制的重大意义在于：能较高 水平地控制发射区面积和芯片尺寸，并能极大地提高效率和使光束稳定地耦合进 单模和多模光纤。因此，采用氧化物限制方案，器件有望将阈值电流降到几百衅， 而驱动电流达到几+ m a 就足以产生l m w 左右的输出光功率。 采用氧化孔径来限制电流与光场，可使效率得到显著提高，同时又降低了 v c s e l 的阈值电流。所以，现在极有可能在单个芯片上制作大型和密集型封装的 氧化限制v c s e l 阵列而不会存在严重的过热问题。除低阈值电流和高效率外，均 匀性是成功的v c s e l 阵列的又一重要因素。在驻波节点处设置微氧化孔提高了 v c s e l 阵列的均匀性，并降低了小孔器件的散射损耗。美国u n i v e r s i t yo f s o u t h e r n c a l i f o r n i a 大学日前演示的均匀晶片熔合氧化限制底部发射8 5 0 h mv c s e l 阵列中， 5 5 v c s e l 阵列的平均阈值电流低至3 4 6 1 x a ，而平均外量子效率接近5 7 ，室温连 续波电流激射时单模输出功率超过2 m w 。他们还演示了大( 1 0 x 2 0 ) v c s e l 列阵，其 阈值电流和外量子效率的变化分别低于4 与2 。 1 2 3 晶片熔合工艺 长波长垂直腔面发射激光器( l w - - v c s e l ) 因其低价格、超低阈值和小的光束 发散，作为光纤通讯系统中的激光源有很大的潜力。但由于它的氧化层和有源层 间的固有距离要满足足够的电流传播和弱的光横向限制，使l w - - v c s e l 遭受横电 光限制，因此在高注入电流时会产生一个不稳定的横模图形。 日本n 丌光子实验室将具有充分的横向限制的掩埋异质结h ) 引入 1 5 5 1 a m v c s e l 中，采用了薄膜晶片熔合工艺使i n p 基掩埋异质结v c s e l 制作在 g a a s - d b r 上。 具体过程：( a ) 采用m o c v d 生长i n p 基激光器结构( 第一次生长) ；( b ) 采用反应 离子刻蚀( r i e ) 形成台面方形；( c ) 再一次生长掺f e h l p 层和n h | p 层( 第二次生长) 作为电流通路和光限制层，p i n g a a s 作为电流通过层连续生长；( d ) 又一次生长 p 相位匹配和p i n g a a s 接触层( 第三次生长) ；( e ) 将i n p 基外延层放置在s i 板上 并用蜡作机械固定；( 0 采用h c l 和h 3 p 0 4 溶液选择性刻蚀i n p 衬底和i n g a a s p 层：( 曲 将i n p 基和g a a s 基层的两表面在相同结晶方向面对面放置，然后在室温下蜡熔解而 使s i 片分开，将样品送入退火炉以形成化学键合；0 a ) 将台面上部的p i n g a a s 移开 并将普通电极和s i 0 2 - - t i 0 2 介质镜从台面上移去，底部涂覆层抗反射涂层。在 6 0 0 。c 退火进行晶片熔合。因为熔合界面远离有源区，而且它不在器件电流通过 的路径上，所以晶片键合过程不会影响器件特性【z 6 1 。 l w v c s e l 结构有以下优点：第一，谐振腔波长可在晶片熔合之前监控， 因此发射波长可以提前控制。第二，激光器工作的可靠性会由于有源层和 西南大学硕士学位论文绪论 曼曼曼寰! ! 曼曼皇! ! 曼曼皇曼i 一1 1| 一_ 一 ； i i 曼曼曼曼! 皇曼! 曼! 曼曼曼曼曼! 皇皇曼鼍! 曼曼 i n p - - - g a a s 熔合界面之间有足够距离而变得很高。此外，它能低电压工作的潜力在 很大程度上是因为咖a a s a 1a sd b r 和p _ p g a a s 界面间的高电阻得到 了消除。 1 3 v c s e l 的特性 1 3 1v c s e l 的偏振特性 面发射激光器的偏振光实际上都是线偏振光【2 7 2 引，在横方向上大致对称的谐 振腔中，基本上没有一个决定偏振的因素，由于光增益很小或光损耗对偏振的依 从关系而使光谱增益集中在某个方向的偏振光上，从而引起振荡。采用( 1 0 0 ) 衬底 时，大多是沿解理而剖开的( 1 0 0 ) 面上的某个方向偏振，但并一定说都完全一致。 v c s e l 大多数发射出直线偏光，但偏振方向是稳定的。由于发射激光器中所用的 ( 1 0 0 ) 面衬底的结晶结构及器件结构自身的对称性，( 1 0 0 ) 面的有一源层中垂直偏光 之间没有增益差，再有一输出光也是圆形光斑。当温度和驱动电流等外部条件有 微小的变化，偏振方向很容易地切换。偏振的切换在直接利用激光偏振做光磁存 储，同步通信及激光倍频中有很大影响。而发射激光器的偏振控制目前在日本提 出了几种方案【2 7 2 8 】 ( 1 ) 器件的台体形状选用非对称性的结构及将金属介质衍射光栅组装到d b r 内的结构。 ( 2 ) 在有一源层中引入光增益的各向异性的方案。通过在倾斜衬底上形成量子 阱会很容易获得光学的各向异性，利用现存的晶片结构和加工工艺，使控 制偏振成为可能。 1 3 2v c s e l 的热特性 v c s e l 的串联电阻约为几百欧姆，使得v c s e l 在工作的过程中，温升较大， 影响了器件的连续工作以及光束质量。v c s e l 的模式位置必须与量子阱的增益谱 相匹配，这是v c s e l 实现激射的必要条件，但v c s e l 的模式位置与量子阱的增 益谱位置都与器件的本身温度有关，随着温度的变化，两者的位置都发生偏移【2 7 2 8 1 。红移速率由激光器的相位条件计算得到： ，) ” 仍+ 仍一2 = 础= 一2 聊万 ( 1 1 ) ， 、， 仍和鲠分别为n 型和p 型d b r 的反射相移，i l l 为有源区的光学长度。随着 温度的变化，构成器件的各层折射率系数在两方面发生改变，一方面面温度的变 化引起激光器模式位置发生偏移，从而引起色散效应，另一方面是半导体本身的 折射率随温度发生变化。对于色散效应，采用经验公式【2 7 】： 4 西南大学硕士学位论文绪论 以驴1 卜每啦耵谚 ， ( 1 - 2 ) 其中e 为光子能量，毛和日分别是与g q 一，以加中二值有关的常量， 岛= 3 6 5 + 0 8 7 1 x + 0 1 7 9 x 2 局= 3 6 1 2 4 5 x ( 1 3 ) ( 1 4 ) 对于折射率随温度变化的效应，在0 7 1 4 e v 光波范围内，g a a s 的经验公 式： a n = 2 x 1 0 - 4 a t ( 1 5 ) v c s e l 激射波长与温度的关系随着器件本身温度的升高，v c s e l 的激射波长在逐 渐的红移【2 8 ，2 9 1 ，红移速率大约为0 0 6 n m k 。 1 3 3v c s e l 的阈值特性 当半导体激光器以低于阈值的注入电流工作时，光谱范围较宽，会发出空间相 位不同步的非相干光。当电流达到振荡阈值时，由于受激辐射发出相位一致的相 干光。决定器件阈值电流的振荡条件是激光激活介质中的光增益至少能够补偿谐 振腔损耗或更大些，可用下式来表示： s = a 。+ 口d + a 。 ( 1 6 ) 其中式中a a 代表光吸收损耗( 包括自由载流子等其他光吸收) ，代表衍射损耗( 包 括反射镜上的等价衍射损耗，v c s e l 若无波导结构则不能忽略) ，代表反射损 耗( 反射镜上的等价损耗，也就是输出) ，占为光封闭系数( 纵、横向上的有源层中光 存在的百分比的乘积) ，为阈值增益。 在现实的运用中，低的阈值电流密度是大家所追求的，要得到阈值电流密度， 我们首先从增益与注入载流子间的关系入手： g = ( d g d n ) ( n 一1 ) ( 1 7 ) 根据阈值的条件可得出阈值载流子密度为： “= l + 荔 l 8 ) 并由电流密度和载流子密度的关系 j ：e d b q r x n ( 1 9 ) r h r 即 即可以得到阈值电流密度为 厶：e d b , ：o , x n 三 ( 1 1 0 ) 西南大学硕士学位论文 绪论 上面式子中式中e 为电子的电荷，d 为有源层厚度，为等价复合系数，仇代表 有源层中注入载流子的效率，7 ，。代表自发辐射效率。同时有源层直径为d 的 v c s e l 闽值电流可通过阈值电流密度用下式来表示： l ：e d = b qxn三xz r x ( d 2 ) =( 1 1 1 ) j = = 一 - 1i - 仇 所以联立上面两个式子可以得出 ：坐兰害趔 ( 1 1 2 ) 一曲 s x ( 欢d n ) r 7 1 3 4v c s e l 的模式与光束 v c s e l 的谐振模式可以认为和f p 腔的模式基本相同因这种模式经常用t e m 模来表示，基横模的近场像可看作是高斯型的，用下式来表示： 厂1、 e = 毛e x p l - 寺( ，j ) 2l 0 1 3 ) 二 一， 上式中，e 为光的电场，r 为横向距离，s 为光斑大小。通常v c s e l 的光斑大小为 数微米以上，多模工作的情况下多个t e m 模式的混合振荡情况较多。这时的谐振 波长由于模式不同而不同，故波长宽度变宽，相干性变差。 若将v c s e l 模式近似为高斯型，则远场像也是高斯型，其发散角可用下式来 表示： 2 a o = 0 6 4 ( 五2 s ) ( 1 j 1 4 ) v c s e l 的出射光大多为线偏光。在横向上大致对称的谐振腔中，基本上没有决定 偏振的因素。由于光增益很小或光损耗对偏振的依赖关系而使光增益集中在某个 方向的偏振光上，从而引起振荡。 1 3 5v c s e l 的调制特性 v c s e l 的主要优点之一是改变工作电流就可以进行光强和光频率的直接调 制，并且具有很高的调制频率【3 0 1 ，v c s e l 的调制特性与器件结构有很密切的关系。 由于器件存在延迟时间和弛豫振荡，所以调制带宽受这两个效应参数的制约。实 验和理论表明，载流子扩散和自发辐射均对弛豫振荡强度具有很大的影响。对于 既有侧向载流子限制，又有侧向光限制的v c s e l ，因为没有载流子扩散，进入激 光模式的自发辐射分量是抑制尖峰的主要原因。调制速率的提高归因于受激发射 使载流子寿命缩短。另外，器件的参数如有源区的体积、稳态光子密度、调制频 率和自发辐射因子也会对调制响应产生重要的影响。有实验表明，对于大信号调 制，减小有源区尺寸，提高光子密度，降低调制频率和增加自发辐射因子都将有 6 两南大学硕士学位论文 绪论 利于抑制混沌现象。除了在器件的结构和材料上发展和提高它的调制特性之外， 许多研究都集中在外光注入提高v c s e l 的输出调制特性上【3 h 7 1 。 1 4 光注入下垂直腔面发射激光器的矢量偏振模转换机理 v c s e l 的激光腔一般为匀称的圆柱形，其增益介质也为匀称的圆柱形，有很 弱的各向异性，这导致了横磁( n 田模的线性偏振的产生1 9 9 5 年，m i g u e ! 等提出了 一个具有四能级量子阱的v c s e l ，简称为自旋反向模型( s f m ) t 3 8 】，该模型很好描 述了v c s e l 的输出的偏振态特性。s f m 模型指出了v c s e l - 输出的偏振态取决如下 两方面【3 8 1 ：首先，偏振态取向性反映了不同光子跃迁的本质的动力学行为另一方 面，激光腔的晶体各向异性，结构的匀称性和波导效应导致了偏振方向沿着激光 腔的有源区的横截面的任一方向( 垂直于激光发射方向) ，或者优先取向于在正交基 矢坐标系下彳和】，的任一方向( 取两个正交基矢铲x ，e y = y ，) ，若偏振方向优 先取向于x 方向为石偏振，而偏振方向优先取向于y 方向为】，偏振，另外偏振 方向优先取向于x 和】，的合成方向为混合偏振( 同时包括x ，】，偏振，即椭圆偏 振或圆偏振) 夕f 、界温度变化，注人电流的变化和外部光注入都会引起v c s e l 输出的 偏振方向在x 和】，之间转换，即在一定的条件下，v c s v , l 输出偏振态可以为z 线 性偏振或y 线性偏振，或混合偏振( 同时包括x 线性偏振和】，线性偏振) ，结果 v c s e l 输出的动态行为对激光场的偏振非常敏感，因此v c s e l 又称之为矢量激光 器【3 9 】。 近年来，许多学者对v c s e l 受到来自外界光注入时的矢量偏振的转换机理作 了大量地研究 4 0 - 4 5 】，这些研究结果表明，当外部注入电流在阈值电流附近的微量 变化都能导致外腔各向同性光注入的v c s e l 输出的正交化的矢量偏振相互转换， 当外部注人电流固定在阈值电流附近时，光注入强度微小的变化也会引起v c s e l 输出的正交化的矢量偏振相互转换。基于此原理，本文对光脉冲注入下v c s e l 输 出的矢量偏振转换进行数值研究。 1 5 本文研究的内容和意义 本人在研究前人工作的基础上，对光脉冲注入下v c s e l 的偏振转换特性进行 了进一步的研究。用数值模拟的方法从理论上进行论证。具体研究内容如下： 垂直腔面发射激光器的研究是半导体光电子器件领域的一个热点，可作为低 成本高性能激光光源，在光纤通信网络、光发射机、高速数据传输、光信息处理、 光互连、光交换、光计算、多处理器的快速寻址和灵活的拓扑结构等领域具有重 大应用前景，另外在制作偏振开关、气体检测、激光打印等方面也有希望得到应 用。其中，偏振开关在偏振方向探测和传感、偏振复用，偏振计量、偏振调制， 相干通信p m d 监测等方面得到了越来越广泛的应用。本文基于描述主、副垂直 7 西南大学硕士学位论文 绪论 皇曼曼鼍鼍曼皇i n nm _ _ m ! ! 曼曼曼曼曼曼曼! ! 曼鼍曼曼曼皇篡 腔表面发射激光器( m v c s e l 、s - v c s e l ) 的速率方程，研究了m v c s e l 在脉冲 电流调制下，输出光脉冲的偏振特性，以及s v c s e l 在m v c s e l 输出光脉冲的注 入下，其偏振开关特性。研究结果表明：m v c s e l 在周期性脉冲电流的作用下，将 产生周期性光脉冲输出：s - v c s e l 在该光脉冲的注入下，输出光将在两个互相垂 直的方向之间发生周期性转化，且变化周期与m v c s e l 所受到的调制脉冲电流周 期相同：通过改变m v c s e l 驱动脉冲电流的调制幅度，可控n s v c s e l 输出的垂 直偏振抑制比。 本问研究内容结构如下： 第一章绪论回顾了v c s e l 的发展历程，阐述了它的结构，偏振特性，热特性， 阈值特性，模式与光束，最后较详细地分析了v c s e l 的偏振转换机理，说明了光 脉冲注入下可以实现v c s e l 的偏振转换。 第二章描述了v c s e l 的发展水平及应用。 第三章研究了光脉冲注入下v c s e l 的偏振开关特性，深入地分析了通过改变 m v c s e l 驱动脉冲电流的调制幅度，可控制s - v c s e l 输出的垂直偏振抑制比。 第四章总结了本文的内容并展望了以后的工作方向。 8 西南大学硕士学位论文 绪论 皇量皇曼曼! 舅曼曼曼皇! 皇曼m! ! i i m mmm mmm 参考文献 1 】h s o d a , k 1g a , c k i t a h a r ae t a l g a l 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 n l a s e r s j p n j a p p l p h y s 1 9 7 9 ，18 ( 1 2 ) ：2 3 2 9 2 3 3 0 2 k i g a , s i s h i k a w a ，s o h k o u c h ie ta 1 r o o m t e m p e r a t u r ep u l s e do s c i l l a t i o no f g a a l a s g a a ss u r f a c e - - - e m i t t i n gi n j e c t i o nl a s e r a p p l p h y s l e t t ，1 9 8 4 ，4 5 ( 4 ) ： 3 4 8 3 5 0 【3 】rs g e e l s ，s w ：c o r z i n e ，l a c o l d r e n e ta 1 i n g a a sv e r t i c a l - c a v i t y s u r f a c e - e m i t t i n gl a s e r s i e e ej q u a n t u me l e c t r o n ，1 9 9 1 ，2 7 ( 6 ) ：1 3 5 9 - 1 3 6 7 4 tb a b a , yy 0 9 0 ，k s u z u k ie ta 1 n e a rr o o mt e m p e r a t u r ec o n t i n u o u sw a v el a s i n g c h a r a c t e r i s t i c so fg a l n a s p i n ps u r f a c ee m i t t i n gl a s e r e l e c t r o n l e t t ，1 9 9 3 ，2 9 ( 1 0 ) ： 9 1 3 - 9 1 4 5 】k u o m i l o wt h r e s h o l d ，r o o mt e m p e r a t u r ep u l s e do p e r a t i o no f1 5 u mv e n i c a l - 一 c a v i t ys u r f a c e - - e m i t t i n gl a s e mw i t ha l lo p t i m i z e dm u l t i - q u a n t u mw e l la c t i v e l a y e r i e e ep h o t o n t e c h n 0 1 l e t t ，19 9 4 ，6 ( 3 ) ：3 17 319 【6 】vj a y a r a m a n ，m m e h t a ，a w j a c k s o ne ta 1 h i g h - p o w e r1 3 2 0 n mw a f e r - b o n d e d v c s e l sw i t l lt u n n e lj u n c t i o n s 叨i e e ep h o t o n t e c h n 0 1 l e t t ，2 0 0 3 ，1 5 ( 1 1 ) ： 1 4 9 5 1 4 9 7 【7 a k a r i m ，p a b r a h a m ，d l o f g r e e ne ta 1 w a f e rb o n d e d1 5 5 历v e r t i c a l c a v i t y l a s e r sw i t hc o n t i n u o u s - w a v eo p e r a t i o nu pt o1 0 5 c a p p lp h y sl e t t ，2 0 0 1 ，7 8 ( 1 8 ) ： 2 6 3 2 2 6 3 3 8 】j b o u c a r t , c s t a r c k , eg a b o r i te ta 1 m e t a m o r p h i cd b ra n dt u n n e lj u n c t i o n i n j e c t i o n ：a c w r tm o n o l i t h i cl o n g - w a v e l e n g t hv c s e l 【j 】i e e ej s e l e c t t o p i c s q u a n t u me l e c t r o n ，1 9 9 9 ，5 ( 3 ) ：5 2 0 - 5 2 9 【9 江剑平，半导体激光器，2 0 0 0 年2 月，第一版 1o 】d h u a n g ，t - s z e ，a l a n d i ne ta 1 o p t i c a li n t e r c o n n e c t s ：o u to ft h eb o xf o r e v e r ? j i e e ej s e l e c t t o p i c sq u a n t u me l e c t r o n , 2 0 0 3 ，9 ( 2 ) ：6 1 4 - - 6 2 3 l 1 1 】s n i s h i m u r a , h i n o u e ，s h a n a t a n ie ta 1 o p t i c a l i n t e r c o n n e c t i o n sf o rt h e m a s s i v e l yp a r a l l e lc o m p u t e r 【j 】i e e ep h o t o n t e c l m 0 1 l e t t ，1 9 9 7 ( 9 ) ：1 0 2 9 1 0 3 1 12 】d s u n , w - f a n , p k n e re ta 1 l o n gw a v e l e n g t ht u n a b l ev c s e l sw i t ho p t i m i z e d m e m sb r i d g et u n i n gs t r u c t u r e 【j 】i e e ep h o t o n t e c h n 0 1 l e t t ，2 0 0 4 ，l6 ( 3 ) ： 7 1 4 7 1 6 【13 m h m a c d o u g a l ，p - d d a p k u s ，a e b o n de ta 1 d e s i g na n df a b r i c a t i o no f v c s e l s 谢t 1 1a l x o y - g a a sd b r s j i e e ej s e l e c t t o p i c sq u a n t u me l e c t r o n ， 9 西南大学硕士学位论文 绪论 曼曼! 寰! 曼鼍皇! 寰! 曼曼曼皂曼! ! ! 皇曼! ! 曼曼! ! ! ! 曼曼曼曼曼曼曼皇n , - 一 m _ i 曼! 曼 19 9 7 ，3 ( 3 ) ：9 0 5 9 1 5 【14 c j c h a n g - h a s n a i n , vc b e r k e l e y p r o g r e s sa n dp r o s p e c t so fl o n g - w a v e l e n g t h v c s e l s 【j 】i e e ec o m m u n i c a t i o n sm a g a z i n e ，2 0 0 3 ，4 l ( 2 ) ：3 0 3 4 15 h s h i m i z u f i r s tc wo p e r a t i o no f1 3 a mr a n g eg a i r t n a s s bv c s e l sa n d v c s e l a r r a y h i i n t ls e m i c o n d u c t o rl a s e r sc o n f 2 0 0 2 c 】g e r m a n y ：2 0 0 2 1 6 】c k l i n h i 曲t e m p e r a t u r ec o n t i n u o u s w a v eo p e r a t i o no f1 3 1 5 5 a mv c s e l s w i t hi n p a i r - g a pd b r s h i i n t ls e m i c o n d u c t o rl a s e r sc o n f 2 0 0 2 c 】g