新型高功率单横模纳米氧化-光栅可调谐垂直腔面发射激光器研究

随着光网络处理信息量的不断增加和高密度光通信技术的不断提高，人们对VCSEL光源性能的要求也越来越高，如何实现高功率、单纵模和单横模控制的稳定光输出成为可调谐VCSEL面临的重要问题。针对上述问题，本课题提出了一种新型纳米氧化-光栅可调谐VCSEL物理结构：即采用纳米氧化-光栅构成微纳光机械系统，并做为可调谐VCSEL的动态调谐单元，其纳米光栅具有强衍射效应和光波导控制作用，可以有效实现激光模式控制和波长调谐，大大改善调谐光谱输出质量，且工艺兼容、集成度高。本课题将从理论和实验上全面研究纳米光栅新结构可调谐VCSEL的动态模式控制机理。深入研究和表征纳米结构、微机械结构和隧道级联激光器间的光、电、热特性与激光模式空间分布变化关系。为实现下一代高增益单模微纳光机械可调谐VCSEL光源提供新思路和理论依据。

随着光通信、光互连、光计算等领域提出越来越高的要求，研究开发具有输出高单横模高功率的大范围波长可调谐VCSEL正成为当前的研究热点。基于已取得的研究基础,本课题提出一种具有单横模稳定控制的高功率新型表面亚波长光栅VCSEL结构, 即采用纳米氧化-光栅构成微纳光机械系统，并做为可调谐VCSEL的动态调谐单元，其纳米光栅具有强衍射效应和光波导控制作用，可以有效实现激光模式控制和波长调谐，大大改善调谐光谱输出质量。有效分离和控制偏振模式，进而实现大范围波长偏振稳定控制。同时开展基于表面纳米光栅微结构的可调谐VCSEL理论和实验研究，包括光子模式基态在亚波长光栅、NEMS结构和MC结构中的调控机制和光场非对称传输等物理问题，以及内部微腔耦合与波长动态调谐行为相互作用物理机制等，并进一步发展可调谐VCSEL激光器件的新方法和新技术。. 本课题在国家青年自然科学基金的支持下，针对纳米氧化-光栅可调谐VCSEL激光模式分布控制机理及内部光腔耦效应等关键科学问题，紧紧围绕研究目标开展深入研究，国内首次获得单模宽调谐范围可调谐VCSEL，调谐范围达18.8nm，调谐效率1.9%，与报道的国际先进水平相当。研究并制备出模式稳定VCSEL，实现功率输出偏振抑制比12dB以上，TE偏振稳态输出功率近5mW。同时，国际上第一次报道应用缺陷态模式控制实现双波长同时激射VCSEL，通过在非对称一维光子带隙内引入缺陷态模式，对光子带隙结构调制，从而实现单一波长分裂为双波长输出，中心波长位于979.7nm和943nm，缺陷层为Al0.8Ga0.2As材料，模式间距可从33.8nm调至53.4nm。课题进展顺利，已获得了具有自主知识产权的新型高功率单横模纳米光栅可调谐VCSEL原型器件，实现输出光功率7.2mW，边摸抑制比40dB，单模偏振调谐范围4.5nm。形成了新型高性能可调谐VCSEL器件的一整套设计方法和设计程序，达到了预期研究目标和任务。