微機械可調諧垂直腔面發(fā)射激光器調諧范圍分析與設計

1、第*卷增刊*+.年月半!導!體!學!報#8"Q!%!M_eQ$?_%!="#_QNe#_%a>D2*!%<D9196CGG$M<69*+.微機械可調諧垂直腔面發(fā)射激光器調諧范圍分析與設計#王紅航!郭!霞!渠紅偉!董立閩!沈光地#北京工業(yè)大學電子信息與控制工程學院$光電子技術實驗室$北京!,+*%摘要介紹了可調諧激光器的意義和它的基本調諧方法及調諧原理2對影響微機械可調諧垂直腔面發(fā)射激光器調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諧范圍2諧范圍的因素做了重點分析$關鍵詞可調諧(垂直腔面發(fā)射激光器(調諧范圍(*$%&&)(*.X(*.

2、&!%&&)(0*+M.).N中圖分類號Q$&*(-!文獻標識碼$!文章編號+*.0J(,)*+.%+J+,-+J+(導體材料的限制2當采用更加復雜的結構時$可以得!引言隨著網(wǎng)絡的飛速發(fā)展$網(wǎng)絡用戶急劇上升$網(wǎng)絡擁擠日益嚴重$網(wǎng)絡的傳輸容量和傳輸速度受到了極大的挑戰(zhàn)2為此$人們采用時分復用和波分復用技術來解決問題2對光電子器件來說$時分復用技術已但對于波分復用$因為種種原經應用了很長時間$因$到W波分復用技術+年代初期才開始受到關注2的要求$導致了可調諧激光器的提出2到更大范圍的調諧波長$但是制作復雜$很難有效控制$并且調諧不連續(xù)$容易跳模$不適于大規(guī)模生產2因

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

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$主要是折射率變化受半*,+%$容易實現(xiàn)單縱模工作$這樣的特性使得波(C*長調諧可以在一個較大的范圍內連續(xù)進行(a#%!?腔體積小使其自發(fā)輻射因子較普通邊發(fā)射激光器高幾個數(shù)量級$能實現(xiàn)極低閾值激射或無閾

5、值激射$從而大大降低器件功耗和熱能耗(a#%!?工藝與平面硅工藝完全兼容$便于與電子器件實現(xiàn)光電子集成2這些優(yōu)點都有利于a大規(guī)模的現(xiàn)代#%!?低成本化工業(yè)生產$也使得以a#%!?為基礎的可調諧波批準號)%$國家高技術研究發(fā)展計劃#批準號)及國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃#批準+*)+00$W-W+,*+*$0,*+)+%#國家自然科學基金#%號)資助項目X*+-0J+*+(J,J,-收到$*+(J,*J*+定稿!*+.中國電子學會*增刊王紅航等)!微機械可調諧垂直腔面發(fā)射激光器調諧范圍分析與設計長激光器得以迅速發(fā)展2典型的a中下三部分構成$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,所示為懸臂式可調諧a#%!?結*+構示意圖*該結構包括三個部分)多對半導體材料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力$G型N恢復力是由懸臂在生長過程中的本征應力引起的2+0對于懸臂梁$我們采用下面的模型*)懸臂梁頂鏡的中心區(qū)域為剛性的$而懸臂是細而具彈性的$且整個懸臂處于張應力狀態(tài)2如果在小位移的情況下$可以將懸臂的張應力近似看作彈性恢復力$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$0是懸臂梁的應力2這樣懸臂的彈性恢復為)<*TO#3;6U3%#0%其中!3;6為空氣隙的初始厚度2圖*是懸臂梁所受彈性恢復力#虛線%和靜電力#實線%與位移的關系曲線$其中表示靜電力的

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

9、波長調諧的范圍$3是空氣隙的"是激射波長$(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P當空氣隙厚度為,(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考慮到調諧范圍$.將空氣隙的厚度設定波長的0又由于頂鏡自身($*+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時懸臂式可調諧a#%!?的反射譜2增刊王紅航等)!微機械可調諧垂直腔面發(fā)射激光器調諧范圍分析與設計,-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,*+)+