第４１卷㊀第１０期２０２０年１０月
发㊀光㊀学㊀报
ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＬＵＭＩＮＥＳＣＥＮＣＥ
Ｖｏｌ ４１Ｎｏ １０
Ｏｃｔ.ꎬ２０２０
文章编号:１０００￣７０３２(２０２０)１０￣１２８７￣０７
无纺布挂历
垂直腔面发射激光器特性
王小龙ꎬ邹永刚∗ꎬ郝永芹ꎬ马晓辉ꎬ刘国军∗
(长春理工大学ꎬ吉林长春㊀１３００２２)
摘要：设计了一种具有内腔耦合层的８５０ｎｍ液晶可调谐垂直腔面发射激光器(ＶＣＳＥＬ)结构ꎬ从而
获得了更宽的波长调谐范围以及稳定的偏振模式输出ꎮ通过分析在不同液晶层厚度下ꎬ两种偏振模式的共振波长以及对应的阈值增益的变化关系ꎬ研究了液晶厚度影响可调谐ＶＣＳＥＬ偏振模式和波长调谐的机理ꎮ此外ꎬ通过优化半导体腔和液晶腔之间的耦合层结构ꎬ使得基于液晶的可调谐ＶＣＳＥＬ结构在实现稳定偏振模式输出的基础上具有更宽的波长调谐范围ꎮ结果表明ꎬ耦合层结构的加入可以有效地增大液晶可调谐ＶＣＳＥＬ的调谐范围ꎬ最大达到４１.１ｎｍꎮ同时ꎬ在连续的波长调谐过程中ꎬ由于ｏ光偏振模式始终处于受抑制状态ꎬ因此液晶可调谐ＶＣＳＥＬ可实现稳定的单偏振模式输出ꎮ 关㊀键㊀词：偏振稳定ꎻ液晶ꎻ垂直腔面发射激光器(ＶＣＳＥＬ)ꎻ波长调谐
中图分类号:ＴＮ３０２㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀ＤＯＩ:１０.３７１８８/ＣＪＬ.２０２００１７５
Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆ８５０ｎｍＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＴｕｎａｂｌｅＶＣＳＥＬｗｉｔｈ
ＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＳｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄＷｉｄｅＴｕｎｉｎｇＲａｎｇｅ
ＷＡＮＧＸｉａｏ￣ｌｏｎｇꎬＺＯＵＹｏｎｇ￣ｇａｎｇ∗ꎬＨＡＯＹｏｎｇ￣ｑｉｎꎬＭＡＸｉａｏ￣ｈｕｉꎬＬＩＵＧｕｏ￣ｊｕｎ∗
(ＣｈａｎｇｃｈｕｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＣｈａｎｇｃｈｕｎ１３００２２ꎬＣｈｉｎａ)
∗ＣｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇＡｕｔｈｏｒｓꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｚｏｕｙｇ＠ｃｕｓｔ.ｅｄｕ.ｃｎꎻｇｊｌｉｕ６２６＠１２６.ｃｏｍ
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒꎬｗｅｄｅｓｉｇｎｅｄａｎ８５０ｎｍｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｔｕｎａｂｌｅｖｅｒｔｉｃａｌ￣ｃａｖｉｔｙｓｕｒｆａｃｅ￣ｅｍｉｔ￣ｔｉｎｇｌａｓｅｒ(ＶＣＳＥＬ)ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｉｎｔｅｒｎａｌｃｏｕｐｌｉｎｇｌａｙｅｒｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｔｕｎｉｎｇｒａｎｇｅａｎｄｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｄｅｖｉｃｅ.ＴｈｅｒｅｓｏｎａｎｃｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｔｈｒｅｓｈｏｌｄｇａｉｎｏｆｔｈｅｔｗｏｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｌａｙｅｒｔｈｉｃｋｎｅｓｓｅｓꎬａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｎｔｈｅｔｕｎａｂｌｅＶＣＳＥＬｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅａｎｄｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｔｕｎｉｎｇｉｓｓｔｕｄｉｅｄ.Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎꎬｗｅａｄｄａｃｏｕｐｌｉｎｇｌａｙｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｃａｖｉｔｙａｎｄｔｈｅｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｃａｖｉｔｙꎬ
ｗｈｉｃｈｃａｎｍａｋｅｔｈｅｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｔｕｎａｂｌｅＶＣＳＥＬｓｔｒｕｃｔｕｒｅｒｅａｌｉｚｅｓｔａｂｌｅｐｏｌａｒ￣ｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅａｎｄｗｉｄｅｒｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｔｕｎｉｎｇｒａｎｇｅ.ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇｌａｙｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｔｕｎｉｎｇｒａｎｇｅｏｆｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｔｕｎａｂｌｅＶＣＳＥＬｔｏ４１.１ｎｍ.Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅꎬｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅｏｆｏ￣ｂｅａｍｉｓａｌｗａｙｓｓｕｐｐｒｅｓｓｅｄꎬｔｈｅｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｔｕｎａｂｌｅＶＣ￣ＳＥＬｃａｎａｃｈｉｅｖｅｓｔａｂｌｅｓｉｎｇｌｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅｏｕｔｐｕｔｉｎｔｈｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｔｕｎｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｓｔａｂｉｌｉｔｙꎻｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌꎻｖｅｒｔｉｃａｌ￣ｃａｖｉｔｙｓｕｒｆａｃｅ￣ｅｍｉｔｔｉｎｇｌａｓｅｒ(ＶＣＳＥＬ)ꎻｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｔｕｎｉｎｇ
㊀㊀收稿日期:２０２０￣０６￣２４ꎻ修订日期:２０２０￣０７￣２５
㊀㊀基金项目：吉林省科技发展计划(２０１８０５１９０１８ＪＨꎬ２０１９０３０２０５２ＧＸ)ꎻ吉林省教育厅 十三五 科学技术项目(ＪＪＫＨ２０１９０５４３ＫＪ)ꎻ国
家自然科学基金(１１４７４０３８)ꎻ装备预研基金重点项目(６１４０４１４０１０３)资助
ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＪｉｌｉｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＰｌａｎ(２０１８０５１９０１８ＪＨꎬ２０１９０３０２０５２ＧＸ)ꎻＪｉｌｉｎＥｄｕｃａｔｉｏｎＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ
１３５ ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ(ＪＪＫＨ２０１９０５４３ＫＪ)ꎻＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ(１１４７４０３８)ꎻＫｅｙＰｒｏｊｅｃｔｏｆ
ＥｑｕｉｐｍｅｎｔＰｒｅ￣ｒｅｓｅａｒｃｈＦｕｎｄ(６１４０４１４０１０３)
１２８８㊀发㊀㊀光㊀㊀学㊀㊀报第４１卷
１㊀引㊀㊀言
可调谐垂直腔面发射激光器(ＶＣＳＥＬ)具有低阈值电流㊁单纵模㊁连续的波长调谐特性㊁圆形对称的光斑以及易于２Ｄ阵列等特点ꎬ在光通信㊁光储存㊁光谱学以及医疗等领域具有广阔的应用前景ꎮ特别地ꎬ在高速数据通信以及各种电信应用(尤其是光网络)中具有宽波长调谐范围的
ＶＣＳＥＬ已经成为最具竞争力的激光光源[１]ꎮ但是ꎬ传统的ＶＣＳＥＬ由于其对称的波导结构使得偏振模式间的各向异性很弱ꎬ很难实现稳定的单偏振模式输出ꎬ在器件的工作温度和注入电流改变时ꎬＶＣＳＥＬ会出现偏振模式间的切换现象[２￣３]ꎬ一定程度上影响器件的工作性能ꎮ因此ꎬ面向实际应用的具有偏振稳定㊁宽波长调谐范围的ＶＣＳＥＬ器件ꎬ一直以来都是研究领域的热点ꎮ目前ꎬ实现ＶＣＳＥＬ偏振稳定常用的技术包括：非对称电流注入[４]㊁非对称氧化孔径[５]㊁表面浮雕[６]㊁选择性外延生长[７]㊁单层高对比度光栅结构[８]㊁内腔液晶[９]等ꎮ其中集成单层高对比度光栅(ＨＣＧ)结构的ＶＣＳＥＬ具有较优良的单偏振输出特性ꎮＨＣＧ可完全替代传统ＶＣＳＥＬ的上ＤＢＲ反射镜结构ꎬ同时对两个正交偏振态光波之间引入较大反射率差ꎬ从而输出稳定的单偏振模式ꎮＣｈａｎｇ￣Ｈａｓｎａｉｎ课题组报道的ＨＣＧ￣ＶＣＳＥＬ结构具有稳定的单偏振模式能力ꎬ并且引入ＭＥＭＳ结构控制ＨＣＧ产生位移ꎬ在一定范围内使ＶＣＳＥＬ的输出波长可以连续调谐ꎬ该结构已经分别在８５０ꎬ１０６０ꎬ１５５０ｎｍ等ＶＣＳＥＬ的常用波段先后得到了证实[１０￣１２]ꎮ２００６年ꎬＬｅｖａｌｌｏｉｓａ等首次提出了通过腔内嵌入液晶层结构来实现对ＶＣＳＥＬ输出偏振模式的调控[１３]ꎬ利用液晶的双折射特性来增大腔内偏振模式间的阈值增益差ꎬ该方法同样可以使ＶＣＳＥＬ具有稳定的单偏振模式输出特性ꎮ同时ꎬ液晶作为一种电光折射率调制材料ꎬ在外加电压的作用下通过改变ｅ光的等效折射率可以使ＶＣＳＥＬ的输出波长连续调谐[１４]ꎮ该方法不仅拓展了ＶＣＳＥＬ的功能性ꎬ同时由于放弃了ＭＥＭＳ的调谐方式ꎬ使得其制作工艺更加简单ꎬ可靠性高ꎮ因此ꎬ结合内腔液晶结构的可调谐ＶＣＳＥＬ受到了广泛关注ꎬ成为研究热点之一ꎮ
本文设计了一种基于内腔液晶的宽调谐范围㊁偏振稳定的８５０ｎｍ可调谐ＶＣＳＥＬ结构ꎮ通过传输矩阵法研究了液晶厚度影响可调谐ＶＣＳＥＬ偏振模式和波长调谐的机理ꎮ同时ꎬ通过优化半导体腔和液晶腔之间的耦合层结构ꎬ使得基于液晶的可调谐ＶＣＳＥＬ结构在实现稳定偏振模式输出的基础上具有更宽的波长调谐范围ꎮ
２㊀液晶ＶＣＳＥＬ结构设计
设计的基于向列相液晶的ＶＣＳＥＬ器件结构如图１所示ꎮ该ＶＣＳＥＬ由以下几部分组成ꎬ分别是半ＶＣＳＥＬ结构㊁耦合层㊁液晶层和顶部ＤＢＲ结构ꎮ其中ꎬ半ＶＣＳＥＬ结构沿外延生长方向主要包括背面电极㊁ＧａＡｓ衬底㊁底部ｎ￣ＤＢＲ㊁有源区以及激光器注入电极等ꎻ液晶层包括间隔层和向列相型液晶ꎻ顶部ＤＢＲ区包括顶部多层ＳｉＯ２/ＴｉＯ２介质膜ＤＢＲ㊁玻璃基底㊁电极等ꎮ液晶垂直腔面发射激光器采用多片集成技术制备ꎬ即ＶＣＳＥＬ阵列的半ＶＣＳＥＬ区㊁液晶层区和顶部ＤＢＲ区３个部分分别制备ꎬ在半ＶＣＳＥＬ区制备完成后在其上面制作间隔层形成液晶单元ꎬ通过旋涂法填充液晶ꎬ最后将上ＤＢＲ部分覆盖在液晶之上并密封ꎬ最终获得结构完整的液晶
ＶＣＳＥＬꎮ
ITO薄膜
顶部DBR
液晶层
耦合层
氧化限制层
有源区
底部DBR
衬底
电极
图１㊀液晶垂直腔面发射激光器阵列结构
Ｆｉｇ.１㊀Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｖｅｒｔｉｃａｌｃａｖｉｔｙｓｕｒｆａｃｅｅｍｉｔ￣ｔｉｎｇｌａｓｅｒａｒｒａｙ
增大偏振模式间的损耗差或增益差是使ＶＣ￣ＳＥＬ实现偏振稳定的关键因素ꎮ本文利用液晶所具有的双折射(具有两种不同的折射率ｎｏ和ｎｅ)特性使不同偏振模式的共振波长发生分离ꎬ从而增大偏振模式间的增益差ꎬ进而实现ＶＣＳＥＬ稳定的偏振模式输出ꎮ其中ꎬ影响液晶可调谐ＶＣＳＥＬ偏振特性的参数主要包括液晶层的厚度以及ｎｅ和ｎｏ的折射率差等ꎮ因此ꎬ对液晶参数的确定是设计过程中的关键因素ꎮ为了计算液晶折射率随波长的变化ꎬ采用与实验结果拟合较好的柯西方程来计算ꎬ如公式(１)所示:
㊀第１０期王小龙ꎬ等：宽范围㊁偏振稳定的８５０ｎｍ液晶可调谐垂直腔面发射激光器特性１２８９
㊀ｎｅꎬｏɸＡｅꎬｏ＋
Ｂｅꎬｏλ２＋Ｃｅꎬｏ
旋转座椅
λ
４ꎬ(１)
其中ꎬＡｅꎬｏ㊁Ｂｅꎬｏ和Ｃｅꎬｏ分别为液晶ｏ光和ｅ光的柯
西系数ꎮ通过查阅文献[１５]ꎬ在２５ħ时ꎬ液晶Ｅ７的柯西系数取值分别为:Ａｅ＝１.６９３３ꎬＢｅ＝０.００７８ꎬＣｅ＝０.００２８ꎬＡｏ＝１.４９９４ꎬＢｏ＝０.００７ꎬＣｏ＝０.０００４ꎮ由公式(１)计算得到液晶折射率分别为
ｎｏ＝１.５０３６和ｎｅ＝１.６８９９ꎮ
３㊀模拟结果
３.１㊀偏振特性优化
在ＬＣ￣ＶＣＳＥＬ结构的优化过程中ꎬ液晶层的厚度是影响器件输出偏振态的主要因素ꎮ因此ꎬ有必要进一步地分析液晶厚度对偏振模式间的共振波长以及阈值增益差的影响ꎮＶＣＳＥＬ的共振波长由腔模位置决定ꎬ可以通过光学传输矩阵法
[１６]
计算ＶＣＳＥＬ多层结构的反射谱来获得ꎬ其
传输矩阵表达式为:
Ｂ
Ｃ
[]
＝ᵑｋ
ｊ＝１ｃｏｓ(δｊ
)
ｉ
ｎｊｓｉｎ(δｊ)ｉｎｊｓｉｎ(δｊ)ｃｏｓ(δｊ)æèççöø÷÷１ｎ
ｋ＋１
[]
ꎬ
(２)
式中Ｂ㊁Ｃ为矩阵单元ꎬｎｊ和δｊ分别是第ｊ层膜的折射率以及通过第ｊ层膜后的相位差ꎬ其表达式为:
δｊ＝
２πλｎｊ＋ｉαｊλ４πæèç
ö
ø
÷
ｄｊꎬ(３)
其中αｊ㊁ｎｊ和ｄｊ分别是吸收系数㊁折射率和物理厚度ꎮ膜系的反射率可由公式(４)计算得到:
Ｒ＝(ｎ０Ｂ－Ｃ)(ｎ０Ｂ－Ｃ)∗
(ｎ０Ｂ＋Ｃ)(ｎ０Ｂ＋Ｃ)∗
ꎬ
(４)
通过计算不同波长对应的反射率可得到膜系整体的反射谱ꎬ谱线中的缺陷位置对应的波长即为ＶＣＳＥＬ的共振波长ꎮ本文使用Ｒｓｏｆｔ软件对液晶可调谐ＶＣＳＥＬ结构进行建模ꎬ通过计算不同液晶厚度时多层膜系的反射谱和腔膜位置ꎬ即可获得液晶厚度与ＶＣＳＥＬ共振波长的变化关系ꎮ图２为液晶厚度等于０.５μｍ时的膜系反射谱ꎬ其中谱线缺陷位置对应的波长即为ＶＣＳＥＬ在液晶厚度为０.５μｍ时的共振波长ꎮ通过求解㊁整合不同液晶厚度时对应的腔膜位置即可得到液晶厚度与共振波长的关联ꎮ
公式(５)
用来计算两种偏振模式的阈值增益
0.80.75
0.95
姿/滋m
R e f l e c t i v i t y
0.80
0.850.90
1.00.60.40.2
图２㊀液晶厚度为０.５μｍ时ꎬＬＣ￣ＶＣＳＥＬ的反射谱ꎮＦｉｇ.２㊀ＬＣ￣ＶＥＳＥＬｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｓｐｅｃｔｒｕｍａｔｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓ０.５
μｍｏｆＬＣ
随液晶厚度的变化关系:
Ｇｔｈ＝
１Γα＋１Ｌｌｎ
１Ｒ１Ｒ２æè
çöø
÷ꎬ(５)
其中Ｌ为液晶ＶＣＳＥＬ的等效腔长ꎬΓ为光限制因子ꎬＲ１和Ｒ２分别为上下ＤＢＲ反射率ꎬα为腔内吸收系数ꎮ共振波长和阈值增益的计算结果如图３所示ꎮ其中图３(ａ)为２５ħ时ꎬ不同液晶厚度与腔内共振波长的关系ꎬ其中红曲线为寻常光(ｎｏ)ꎬ黑曲线为非寻常光(ｎｅ)ꎮ从图中可以发现ꎬ液晶的 双折射 特性使得腔内两种偏振模式的共振波长存在分离ꎮ偏振模式间
4
Thickness /滋m
姿/n m
1
23890850830810
880870860840820n e
n o
（a ）
04
Thickness /滋m
T h r e s h o l d g a i n /c m -1
33000n e n o
（b ）
2000
1000
12图３㊀不同的液晶厚度与共振波长(ａ)和阈值增益(ｂ)的
关系
Ｆｉｇ.３㊀Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｔｈｉｃｋｎｅｓｓ
ａｎｄｒｅｓｏｎａｎｃｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ(ａ)ａｎｄｔｈｒｅｓｈｏｌｄｇａｉｎ(ｂ)
１２９０㊀发㊀㊀光㊀㊀学㊀㊀报第４１卷
的波长差异呈现周期性变化ꎬ例如当液晶厚度为２.２~２.４μｍ时ꎬ两种偏振模式的共振波长曲线存在几乎重合的情况ꎮ当继续增大液晶厚度时ꎬ模式间差异重新变得明显ꎮ随着液晶厚度的增大ꎬ两种偏振模式的自由光谱范围均呈现减小的趋势ꎮ两种偏振模式的阈值增益随液晶厚度变化的关系如图３(ｂ)所示ꎮ由于共振波长的分离ꎬ使得偏振模式间的阈值增益也同样存在明显的差异ꎮ通过设置合适的液晶厚度ꎬ可以使得ｎｅ模式相比于ｎｏ模式始终具有更小的阈值增益ꎬ从而使得器件始终输出稳定的单偏振模式ꎮ随着液晶厚度的增大ꎬ由于更多的光场将存在于液晶层内ꎬ这会使得器件整体的光场限制因子减小ꎬ从而导致阈值增益的增大ꎮ
因此ꎬ一味地增大液晶厚度对于器件的波长调
谐范围和阈值都是不利的ꎮ
为了更清晰地观察液晶厚度对偏振模式间的共振波长和阈值增益的影响ꎬ分别将图３(ａ)㊁(ｂ)中的两条曲线相减(ｎｅ－ｎｏ)ꎬ得到了在不同液晶层厚度时两种偏振模式的波长差和阈值增益差ꎬ如图４所示ꎮ
4
Thickness /
滋m
Δ姿/n m
23
60-2040200-40-60（a ）
-80
1
4
Thickness /滋m
T h r e s h o l d g a i n d i f f e r e n c e /c m -1
23
1000
-1000
（b ）1
图４㊀不同液晶厚度时ꎬ两种偏振模式的共振波长差(ａ)
和阈值增益差(ｂ)ꎮ
Ｆｉｇ.４㊀Ｒｅｓｏｎａｎｃｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ(ａ)ａｎｄｔｈｒｅｓｈｏｌｄ
ｇａｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ(ｂ)ｏｆｔｈｅｔｗｏｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｔｈｉｃｋｎｅｓｓ
根据图４的结果可以更容易地确定液晶层的初始厚度ꎬ使得两种偏振模式间的共振波长满足图５所示的调谐过程ꎮ其中ꎬ红线和蓝线分别代表ｅ光和ｏ光的腔纵模位置ꎬ黑线代表材料增益曲线ꎮ由于ｏ光的折射率不随液晶倾角的改变而发生变化ꎬ因此当确定液晶厚度后ꎬｏ光的共振波长也随之确定ꎮ相比于ｏ光ꎬｅ光在波长连续调谐的过程中(由Ｅ处移动到Ｅᶄ处时)始终更靠近材料的增益峰ꎬ使得ｏ光在模式竞争中一直处于受抑制的状态ꎬ从而器件在调谐过程中将始终具有稳定的单偏振模式ꎮ例如ꎬ在液晶厚度为
１.７５μｍ和１.９μｍ时ꎬ两种偏振模式具有较大的波长分离值ꎬ同时ｅ光具有更低的阈值增益ꎮ
λ
λ
G a i n
G a i n
红外多点触摸屏冲淋房E 调谐过程
E E ′图５㊀偏振稳定的ＬＣ￣ＶＣＳＥＬ波长调谐过程Ｆｉｇ.５㊀ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈｔｕｎｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆＬＣ￣ＶＣＳＥＬｗｉｔｈｐｏｌａｒｉ￣
ｚａｔｉｏｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ
３.２㊀波长调谐范围优化
在传统的液晶可调谐ＶＣＳＥＬ结构中ꎬ液晶微腔与半导体腔之间常采用１~２对的中间ＤＢＲ结构相连ꎮ由于在两个微腔界面存在较大的折射率差ꎬ使得大部分的光场被限制在半导体腔内ꎬ这直接影响了器件的最大波长调谐范围[１７]ꎮ本文设计了一种具有内腔耦合层的液晶可调谐ＶＣＳＥＬ
结构ꎬ将原有的中间ＤＢＲ与液晶微腔接触的表面由原来的λ/４ｎ光学厚度变为λ/２ｎꎮ改变了原有的相位分布ꎬ使更多的光场进入到液晶微腔中ꎬ从而增大器件的波长调谐范围ꎮ建立了如图６所示的两种液晶ＶＣＳＥＬ结构模型ꎬ通过对比方式来说
优化后
优化前
姿/4n
耦合层
液晶层
顶部DBR 有源区底部DBR
图６㊀液晶可调谐ＶＣＳＥＬ结构示意图
Ｆｉｇ.６㊀ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｔｕｎａｂｌｅＶＣＳＥＬ
㊀第１０期王小龙ꎬ等：宽范围㊁偏振稳定的８５０ｎｍ液晶可调谐垂直腔面发射激光器特性１２９１㊀明耦合层的加入对器件波长调谐范围的提升ꎮ除
耦合层设置不同外ꎬ其他组成部分均使用相同的结构参数ꎬ包括:λ厚度有源区㊁３２对ＧａＡｓ/Ａｌ￣
ＧａＡｓ底部ＤＢＲ㊁１.９μｍ液晶层㊁１对ＧａＡｓ/Ａｌ￣ＧａＡｓ中间ＤＢＲ以及１０对ＳｉＯ２/ＴｉＯ２顶部ＤＢＲꎮ在实际的波长调谐过程中ꎬ通过外加调谐电压的方式控制液晶分子的旋转ꎬ从而连续地改变液晶分子的等效折射率ꎬ实现输出波长的连续调谐ꎮ等效折射率与液晶分子倾角的关系满足下列公式:
ｎｘ＝ｎｏꎬ
ｎｙ＝ｎｏｎｅ
ｎ２ｏｃｏｓ２θ＋ｎ２ｅｓｉｎ２θꎬ(６)θ的变化范围为０~π/２ꎮ当θ＝０时ꎬ液晶非寻常光折射率ｎｅ＝１.６８９９ꎬ寻常光折射率ｎｏ＝１.５０３６ꎮ当θ逐渐增大时ꎬｏ光的折射率不会发生改变ꎬ而ｅ光的折射率逐渐减小ꎬ直至与ｏ光相等ꎮ本文通过连续地改变ｅ光等效折射率的方法来模拟液晶可调谐ＶＣＳＥＬ的波长调谐过程ꎮ
夹筋铝箔图７(ａ)为液晶可调谐ＶＣＳＥＬ在有无耦合层前后的输出波长随ｅ光折射率变化的曲线ꎮ在未加入耦合层前ꎬ由于受到界面处较大反射率的影响ꎬ液晶可调谐ＶＣＳＥＬ的最大自由光谱范围为２７.４ｎｍꎮ当加入耦合层设计后ꎬ重新优化了器件内部的光场分布ꎬ使得更多的光进入到液晶层中ꎬ极大地提升了器件的自由光谱范围ꎮ结果表明ꎬ具有内腔耦合层的液晶可调谐ＶＣＳＥＬ的最大波长调谐范围提升到４１.１ｎｍꎬ有效地增大了器件的波长调谐范围和调谐效率ꎮ图７(ｂ)为两种偏振模式输出随ｅ光
折射率变化曲线ꎬ随着ｅ光偏振模式折射率的改变ꎬ输出波长蓝移ꎮ在４１.１ｎｍ的波长移动范围内ꎬｅ光共振波长始终具有更低的阈值增益ꎬ并且更靠近材料增益峰位置ꎮ因此ꎬｅ光偏振模式始终具有更高的量子阱增益ꎬ更容易激射ꎮ相反ꎬｏ光偏振模式在竞争中将一直处于受抑制状态ꎮ结果表明ꎬ本文设计的具有内腔耦合的液晶可调谐ＶＣＳＥＬ结构具有４１.１ｎｍ的连续波长调谐范围ꎬ并且可实现稳定的偏振模式输出ꎮ
图８是在腔内共振波长都为８５０ｎｍ时ꎬ有无耦合层的腔内纵向光场分布ꎮ可以明显发现ꎬ通过改变半导体腔和液晶腔之间的耦合方式后ꎬ有效地增大了光场在液晶层中的分布ꎮ同时我们
870
1.70 1.50
Refractive index
姿
/
n
m
880（a）
41.1nm
27.4nm
优化后
优化前
860
850
840
830
820
1.65 1.60 1.55
870
PONXL1.70 1.50
Refractive index
姿
/
n
m
（b）
860
850
840
830
820
1.65 1.50 1.55
n e
n o
图７㊀(ａ)优化前后波长调谐范围曲线ꎻ(ｂ)ｏ光和ｅ光的波长调谐曲线ꎮ
Ｆｉｇ.７㊀(ａ)Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｔｕｎｉｎｇｒａｎｇｅｃｕｒｖｅｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ.(ｂ)Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｔｕｎｉｎｇｃｕｒｖｅｏｆｏａｎｄｅ
ｂｅａｍ.
1.0
-31
Position/滋m
N
o
r
m
a
l
i
z
e
d
i
n
t
e
n
s
i
t
y
0.8
0.6
0.4
0.2
-4-2-10
优化前
优化后
图８㊀腔内纵向光场分布
Ｆｉｇ.８㊀Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｌｉｇｈｔｆｉｅｌｄｉｎｔｈｅｃａｖｉｔｙ也对优化前后光场限制因子的变化进行了计算ꎮ结果表明ꎬ在加入耦合层设计后ꎬ光场限制因子由原来的２.６２％降低到１.５７％ꎮ虽然光限制因子的降低会使得器件的工作阈值增大ꎬ但由于ＶＣ￣ＳＥＬ本身具有低阈值的特点ꎬ优化后的波长调谐范围相比之前具有明显的提升ꎮ
４㊀结㊀㊀论
本文设计了一种具有宽调谐范围㊁偏振稳定的８５０ｎｍ液晶可调谐ＶＣＳＥＬ结构ꎮ通过传输矩
