一种自混合传感器中VCSEL的优化设计

1、一种自混合传感器中VCSEL的优化设计（3）为固有量子效率，ai为固有损耗，F为输出功率到达镜面部分。对象VSCSL这样的有双不对称镜的激光器来说，输出功率到达各镜面的部分是不同的。顶镜包括反馈部分的输出功率表达式为：（4） Teff，Reff和Rbot为功率透射率及顶镜和底镜的反射率。由于VCSEL的透射率很低，Reff（R/R510-4）的微弱变化就将导致Teff的巨大改变，从而导致F（包括反馈光相位）的改变。这意味着相对于边发射激光器，VCSEL的效率微分量更加重要。有文献指出，在VCSEL中效率微分量的变化量相当于到达顶镜光信息量的40%。8。我们搭建的优化模型中测量结果达到10%5。

2、输出部分的相位的重要性，在图2中也表现出来。当阈值低时从底镜可以得到高的透射信号，这意味着这两个因素以相反的效果影响着顶镜。 空心菱形代表当到达悬臂的距离发生改变时，标准VCSEL模型的阈值电流的仿真值。顶镜的输出部分（用方块表示）底镜（用点表示）的仿真量和距离之间的关系也在图中展示出来。当阈值电流降低时，到达镜面的信号量分别变低（顶镜）、高（底镜）。 展示了输出功率能见度的计算数值和标准VCSEL结构阈值电流的关系。最大阈值时双向的能见度峰值。然而，底镜峰值总是相对大些，这是由于阈值电流受底镜部分的量子效率微分量的相位调制。 在更高电流时，能见度急剧下降，趋向于一个定值：d/2d。顶镜部分在

3、峰值和定值之间有一部分为零能见度。这是由Ith和d的相位关系影响的。因此当VCSEL作为传感器激光器，而电流选取出现严重失误时，将会产生零灵敏度。用VCSEL的背向发射，将对此有所帮助。 仿真顶镜方向（方块）和底镜方向（圆环）光发射能见度与优化结构电流构成的平面图。右轴为上、下方向LI曲线（取最大反馈和最小反馈）插图为当电流远大于阈值量时的能见度。高电流时横定量仅决定于斜率效率的改变。 4量子阱增益和镜面反射率的优化 通过降低镜面反馈光方向的反射率可使激光器对反馈变得更加灵敏。这已被实验证实。我们的仿真结果显示灵敏度的提高意味着其本身峰值能见度的增高，对应于阈值电流的增高。底部输出功率部分的变

4、化增大，这将导致峰值能见度的增高。顶部输出功率部分降低，将从顶部导致峰值可见度的增高。然而，平均损失也有所增加，从而阈值增益和载流子密度也增加。每个量子阱只能提供有限的增益，因为载流子密度增加到一定程度导致增益饱和。因此，虽然理论上19个电子偶的反射率能增加77%的能见度，但是实验装置却无法达到，因为材质不可能达到那么高。解决方法为多量子间阱共享增益。为了弥补另加量子阱需要额外空间，激光器组成和拉伸应变栅应稍作调整。在1-腔，大多增加的量子阱将超出电场峰值，因此对增益贡献很小。通过增加一AlGaAs垫片（类似于最近的一种高功率设计方法9）从而腔长改变为m/2，3阱组群设置在光场多峰值中心，可以

5、显著的改善制约因数。在图4我们标绘了3、6、9量子阱组VCSEL的能见度仿真结果，对6和9阱，反射镜位置调远，直到达到和原来阈值载流子相近为止。6阱和9阱VCSEL的峰值可见度增大到80%也因为阈值电流和功耗的微涨而达到。 功率能见度顶部（黑线）底部（红线）与VCSEL电流平面图。3阱设计为23电子偶布拉格反射镜，6阱为17电子偶布拉格反射镜，9阱为15电子偶布拉格反射镜。插图表示大电流时的能见度。 在电流远大于阈值时，顶部能见度降低，底部能见度提高通过调远顶镜距离。用优化过增益和镜面的底部输出作为传感器会取得更好的效果。然而，能见度只是在底部和顶部相互转换了一下。为了增加总常量标准，必须有一

6、方增加反馈，降低额外损耗（如杂质损耗）提高峰值能见度和底部的d/2d。 ：制约因数，Nth：阈值载流子密度，Ith：阈值电流受反馈影响的变化量，d/d：量子效率微分量的相对变化，Vpeak:峰值能见度。 5结论总结 如果要完成一个自混合的有高峰值敏感度的VCSEL，镜面反馈方向的反射率一定要低，为了补偿增加的损耗，我们用在额外的共振增益腔增加紧凑型式的3阱组合6阱组的方式提高了增益从而提高了80%峰值敏感度。如果检测到功率的变化是静态的，那么最佳偏置点为处于阈值点，根据信背比，确定为最优方案。如果应用锁入技术，远高于阈值的偏置点将使测量从背向散射取得的信号更加方便。 参考文献： 1M.Shik

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