微機(jī)械可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器調(diào)諧范圍分析與設(shè)計

1、第*卷增刊*+.年月半!導(dǎo)!體!學(xué)!報#8"Q!%!M_eQ$?_%!="#_QNe#_%a>D2*!%<D9196CGG$M<69*+.微機(jī)械可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器調(diào)諧范圍分析與設(shè)計#王紅航!郭!霞!渠紅偉!董立閩!沈光地#北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院$光電子技術(shù)實(shí)驗室$北京!,+*%摘要介紹了可調(diào)諧激光器的意義和它的基本調(diào)諧方法及調(diào)諧原理2對影響微機(jī)械可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器調(diào)計算了空氣隙的最大變化范圍和由此引起的激射波長的調(diào)諧范圍2諧范圍的因素做了重點(diǎn)分析$關(guān)鍵詞可調(diào)諧(垂直腔面發(fā)射激光器(調(diào)諧范圍(*$%&&)(*.X(*.

2、&!%&&)(0*+M.).N中圖分類號Q$&*(-!文獻(xiàn)標(biāo)識碼$!文章編號+*.0J(,)*+.%+J+,-+J+(導(dǎo)體材料的限制2當(dāng)采用更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)時$可以得!引言隨著網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展$網(wǎng)絡(luò)用戶急劇上升$網(wǎng)絡(luò)擁擠日益嚴(yán)重$網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量和傳輸速度受到了極大的挑戰(zhàn)2為此$人們采用時分復(fù)用和波分復(fù)用技術(shù)來解決問題2對光電子器件來說$時分復(fù)用技術(shù)已但對于波分復(fù)用$因為種種原經(jīng)應(yīng)用了很長時間$因$到W波分復(fù)用技術(shù)+年代初期才開始受到關(guān)注2的要求$導(dǎo)致了可調(diào)諧激光器的提出2到更大范圍的調(diào)諧波長$但是制作復(fù)雜$很難有效控制$并且調(diào)諧不連續(xù)$容易跳模$不適于大規(guī)模生產(chǎn)2因

3、此很多研究人員開始探索調(diào)諧諧振腔的物理波長$初始通過漸變的層厚來調(diào)諧被證明是可行的$但是調(diào)諧范圍很窄$所以又將空氣隙的概念引入了激光器的整個制作過程中2通過空氣隙的厚度變化使得激光器的有效腔長變化$從而使激光器的激射波長發(fā)生變化$達(dá)到調(diào)諧激光器輸出波長的目的2垂直腔面發(fā)射激光器#是一種新型的a#%!?%半導(dǎo)體激光器$它與常規(guī)的側(cè)向出光的邊發(fā)射激光器在結(jié)構(gòu)上有著很大的不同)邊發(fā)射激光器的出射光平行于芯片表面$a#%!?的出射光垂直于芯片表面$因為這一特性$使得它易于實(shí)現(xiàn)二維平面陣列(a#%!?極短的光腔長度導(dǎo)致其縱模間距大#("T*,+"!調(diào)諧原理及討論對于普通激光器$要想實(shí)

4、現(xiàn)激光的出射$需要滿足一定的條件2其中相位條件是光子在激光腔中往返程的相移差是*即得到I*的整數(shù)倍$*$T*"#%(CTI,*其中!(為有源區(qū)材料的折射率(C為有效腔長(I為整數(shù)(從#式可以看出$要想調(diào)諧,%"為激射波長Z激光器的出射波長$可以改變折射率($也可以改變激光器諧振腔的物理長度C前期工作主要集中在Z通過改變折射率(來調(diào)諧諧振波長2這種辦法得到的波長變化率在,/左右$主要是折射率變化受半*,+%$容易實(shí)現(xiàn)單縱模工作$這樣的特性使得波(C*長調(diào)諧可以在一個較大的范圍內(nèi)連續(xù)進(jìn)行(a#%!?腔體積小使其自發(fā)輻射因子較普通邊發(fā)射激光器高幾個數(shù)量級$能實(shí)現(xiàn)極低閾值激射或無閾

5、值激射$從而大大降低器件功耗和熱能耗(a#%!?工藝與平面硅工藝完全兼容$便于與電子器件實(shí)現(xiàn)光電子集成2這些優(yōu)點(diǎn)都有利于a大規(guī)模的現(xiàn)代#%!?低成本化工業(yè)生產(chǎn)$也使得以a#%!?為基礎(chǔ)的可調(diào)諧波批準(zhǔn)號)%$國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃#批準(zhǔn)號)及國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃#批準(zhǔn)+*)+00$W-W+,*+*$0,*+)+%#國家自然科學(xué)基金#%號)資助項目X*+-0J+*+(J,J,-收到$*+(J,*J*+定稿!*+.中國電子學(xué)會*增刊王紅航等)!微機(jī)械可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器調(diào)諧范圍分析與設(shè)計長激光器得以迅速發(fā)展2典型的a中下三部分構(gòu)成$僅約#%!?由上幾十納米厚的量子阱發(fā)光區(qū)夾在上下布拉格反射鏡

6、#之間$有源區(qū)的發(fā)射光在上下反射鏡之間往N%返多次得到放大$最后相干性極高的激光從頂部或底部激射出2圖,所示為懸臂式可調(diào)諧a#%!?結(jié)*+構(gòu)示意圖*該結(jié)構(gòu)包括三個部分)多對半導(dǎo)體材料2組成的底部6型N中間光腔部分$包括有源區(qū)及最上面的可動頂鏡部分2可動頂鏡又包括G型懸臂梁受到兩個力的作用)加在懸臂梁和重力作用$該之間的靜電力和懸臂梁自身的恢復(fù)力$G型N恢復(fù)力是由懸臂在生長過程中的本征應(yīng)力引起的2+0對于懸臂梁$我們采用下面的模型*)懸臂梁頂鏡的中心區(qū)域為剛性的$而懸臂是細(xì)而具彈性的$且整個懸臂處于張應(yīng)力狀態(tài)2如果在小位移的情況下$可以將懸臂的張應(yīng)力近似看作彈性恢復(fù)力$其彈性系數(shù)$其中C$寬度和

7、為OT$2分別為懸臂的長度CN空氣隙和6型N2激光器的激射依靠在底部6型N和G型N之間加電壓(而激光器的波長調(diào)諧則是依靠在G型N和頂部6型N之間的反向偏壓$該反向偏壓使得6型N向襯底方向偏移$空氣隙的長度變短$從而改變激光器的有效腔長$調(diào)諧激光器的激射波長*#*%其中!&+為真空介電常數(shù)(GI和&I分別為構(gòu)成懸臂頂鏡材料的物理厚度和相對介電常數(shù)2在該懸臂梁的移動中$如果忽略懸臂梁自身的厚度$0是懸臂梁的應(yīng)力2這樣懸臂的彈性恢復(fù)為)<*TO#3;6U3%#0%其中!3;6為空氣隙的初始厚度2圖*是懸臂梁所受彈性恢復(fù)力#虛線%和靜電力#實(shí)線%與位移的關(guān)系曲線$其中表示靜電力的

8、三條曲線由$,到$0電壓依次升高Z從圖中可以看出$當(dāng)電壓較低為$,時$兩個力有兩個交點(diǎn)$表示懸臂梁在該電壓時有兩個平衡狀態(tài)$但是很明顯$只有較小位移的平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的$因為如果達(dá)到后一個平衡狀態(tài)$則靜電力總是高于恢復(fù)力$使得懸臂倒塌$懸臂的調(diào)諧作用失效(當(dāng)電壓較高為$0時$兩個力沒有交點(diǎn)$懸臂的靜電力總是大于彈性恢復(fù)力$使得懸臂沒有一個平衡的狀態(tài)$懸臂處于失效狀態(tài)(當(dāng)電壓為$*時$兩個力僅有一個交點(diǎn)$此時整個懸臂處于一種臨界狀態(tài)$該狀態(tài)對應(yīng)的位移近似為原始空氣隙厚度的,.0$為懸臂所能達(dá)到的最大位移半!導(dǎo)!體!學(xué)!報第*卷3($其中P3調(diào)諧相移的分布頂鏡2根據(jù)T("G9"是

9、波長調(diào)諧的范圍$3是空氣隙的"是激射波長$(變化范圍$PG9是激光器的等效3是相位耦合因子$腔長$考慮了光波場透射入鏡子的部分2可以看出$.當(dāng)P當(dāng)空氣隙厚度為,(波長奇("越大23越大時$數(shù)倍時$此時形成相長干涉$鏡子反射率最P3最大$高$閾值電流最低$輸出功率最大2考慮到調(diào)諧范圍$.將空氣隙的厚度設(shè)定波長的0又由于頂鏡自身($*+的重力作用會使其向襯底方向偏移$將空氣隙的厚度設(shè)計得略大于0.(波長2圖0是空氣隙厚度分別為-,+$)0.和+61時懸臂式可調(diào)諧a#%!?的反射譜2增刊王紅航等)!微機(jī)械可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器調(diào)諧范圍分析與設(shè)計,-0%DR>LJLRDN.

10、BLJD%M=E0DJDRDB=O;JPK=W>BPEK=CBPHRDJPR>IYY8Y#0DRM>B<BKEJPR>&RJEKORPBCJEEJDRLBKLI6Y9$X$d$NU56>6456<>A;5<8>6R9;>6;1;6$56I%496X<56I;787777?7#8,&:C:C/,2P:(+,"(:PI2+:(5:(2P:CY(+(/P+(/+(+W/PN+2/,&(:C:)L$.Y.)$97)VL:.=9/+(2:/C/,2P:(+,=/,&(:C:J:P2:P/+(

11、+*$5&+(%)LG7)SHL$97)!,)$%MLEKRPE49H;6;E56E9>C49C<65cD9D5H9FHC49c5H;EC<65cD919C4>I56IC49>FF9;6CF>I<E9I56II9HEF;c9I2495EC>FH7L5R4;E459ECC49C<65cD9F569>1;EF>J9D9ECF>19E456;E5DC<65cD9P9FC;E5DE5P;C<F5E991;CC;6D5H9FH5F9565DB9I;6I9C5;DH27LH7L54915K;1<1F569&g

12、t;5;F76IC49E>FF9H>6I;6<65cD9F569>R5P9D96C45F9H;1<D5C9I27G5G7C77)(a9SB=KNLC<65cD9#%!?(C<65cD9F567IT(*$%&&)(*.X(*.&!%&&)(0*+M.).N#%KEJP>B1.)+*.0J(,)*+.%+J+,-+J+(%$#F>9ECH<>FC9Ic49Q5C;>65DQ5C<F5D%E;96E9><6I5C;>6>#4;65Q>H2+*)+00$W-W+,C49Q5C;>65D8;49E46>D>9H95FE4YLC7GG7L#&%$#56IN9P9D>196C&F>F51>#4;65Q>2*+*$0,*+)+