垂直腔面發射激光器的模式與線寬優化：技術探索與創新突破一、引言1.1研究背景與意義垂直腔面發射激光器（Vertical-CavitySurface-EmittingLaser，VCSEL）作為一種新型半導體激光器，自問世以來便憑借其獨特的結構和性能優勢，在眾多領域展現出巨大的應用潛力。與傳統的邊發射激光器不同，VCSEL的激光出射方向垂直于襯底表面，這種結構使其具有一系列顯著特點。例如，它能夠獲得圓形光斑，光束質量好，在光通信、光存儲、激光顯示、照明以及3D傳感等領域得到了廣泛應用。在光通信領域，VCSEL是實現高速、短距離數據傳輸的關鍵器件，隨著5G通信技術和數據中心的快速發展，對高速、低功耗的光通信器件需求日益增長，VCSEL因其高調制速率、低閾值電流以及易于二維陣列集成等特性，成為滿足這些需求的理想選擇，像在數據中心的短距離光互連中，VCSEL發揮著重要作用，有效提升了數據傳輸效率。在3D傳感領域，VCSEL作為光源，為智能手機、自動駕駛、安防監控等設備提供了高精度的距離測量和三維成像功能，極大地推動了相關技術的發展和應用。然而，VCSEL在實際應用中仍面臨一些挑戰，其中模式控制和線寬壓窄是影響其性能提升和應用拓展的關鍵問題。模式控制對于VCSEL至關重要，它直接關系到激光器的光束質量、穩定性和應用效果。在許多應用場景中，如光通信中的高速數據傳輸，需要VCSEL輸出穩定的單模激光，以確保信號的高質量傳輸和低誤碼率；在激光顯示領域，單模輸出的VCSEL能夠提供更純凈的色彩和更高的亮度均勻性，提升顯示效果。如果VCSEL工作在多模狀態，不同模式之間的競爭會導致輸出光的強度和相位不穩定，從而降低光束質量，影響其在這些領域的應用性能。線寬也是衡量VCSEL性能的重要指標之一。較寬的線寬會限制VCSEL在一些對頻率穩定性和光譜純度要求較高的領域的應用，如精密測量、高分辨率光譜學和量子通信等。在精密測量中，需要極窄線寬的激光源來提高測量的精度和分辨率；在量子通信領域，窄線寬的VCSEL有助于實現更穩定的量子態傳輸和更低的誤碼率。傳統的VCSEL由于其短腔結構，本征線寬較寬（通常在50-100MHz），這在很大程度上限制了其在這些高端領域的應用。因此，深入研究VCSEL的模式控制及線寬壓窄技術具有重要的現實意義。通過有效的模式控制，可以提高VCSEL的光束質量和穩定性，滿足不同應用場景對光束特性的嚴格要求，進一步拓展其在光通信、激光加工、生物醫學等領域的應用范圍；實現線寬壓窄則能夠使VCSEL進入對頻率穩定性要求極高的應用領域，如原子鐘、量子計算等，為這些前沿科技的發展提供關鍵的光電器件支持。對VCSEL模式控制和線寬壓窄的研究，不僅有助于提升VCSEL自身的性能和應用價值，還將推動相關產業的技術升級和創新發展，具有廣闊的市場前景和重要的科學研究價值。1.2國內外研究現狀1.2.1模式控制研究現狀在VCSEL模式控制方面，國內外研究取得了豐碩的成果。國外研究起步較早，許多知名科研機構和高校在該領域開展了深入研究。美國加州大學伯克利分校的研究團隊通過優化VCSEL的諧振腔結構，采用分布式布拉格反射鏡（DBR）與微透鏡陣列相結合的方式，有效控制了激光的模式。他們的研究表明，這種結構能夠增強對高階模式的抑制，提高基模的穩定性和光束質量，實現了高功率單模輸出。德國烏爾姆大學則專注于研究氧化物限制型VCSEL的模式特性，通過精確控制氧化孔徑的大小和形狀，調節光場和電流的分布，從而實現了對模式的有效控制，降低了閾值電流，提高了器件的效率。國內的研究也取得了顯著進展。中國科學院長春光學精密機械與物理研究所揭示了一種新型金屬介質薄膜模式濾波器結構，這種結構可以靈活調節垂直腔面發射激光器中的橫向模式，展示了金屬孔徑在增強VCSEL模式控制方面的潛力。仿真結果表明，該結構的模態控制性能受到P-DBR對數、金屬孔徑大小和氧化物孔徑大小的顯著影響，通過平衡不同模式之間的光學增益差異和基本模式的光學增益，確定了最佳結構參數，提高了單模穩定性和斜率效率。清華大學深圳國際研究生院和深圳博升光電科技有限公司常瑞華院士團隊提出了一種基于啁啾高對比度超結構（chirpedHCM）的單橫模VCSEL設計。通過在chirpedHCM反射鏡中引入橫向漸變的反射率，使其能夠與激光的基模強度分布更好地匹配，從而有效抑制高階模式，最終實現高質量、穩定的單橫模激光輸出。該設計與傳統多層分布式布拉格反射鏡相比，不僅具備優異性能，而且簡化了制造工藝，適合量產。然而，現有研究仍存在一些不足之處。一方面，部分模式控制方法雖然能夠有效抑制高階模式，但往往伴隨著器件結構的復雜化和制備工藝難度的增加，這不僅提高了生產成本，還限制了器件的大規模生產和應用。另一方面，在高功率輸出條件下，模式的穩定性仍然是一個挑戰，如何在保證高功率輸出的同時，維持穩定的單模工作狀態，是亟待解決的問題。此外，對于不同應用場景下的VCSEL模式控制需求，目前還缺乏針對性強、通用性好的解決方案。1.2.2線寬壓窄研究現狀在VCSEL線寬壓窄研究方面，國內外同樣進行了大量的探索。國外一些研究團隊采用外腔反饋技術來壓窄VCSEL的線寬。例如，日本的科研人員將VCSEL與光纖布拉格光柵（FBG）相結合，利用FBG的窄帶濾波特性，引入外部光反饋，實現了線寬的顯著壓窄。這種方法能夠有效增加諧振腔的等效長度，減小線寬，但外腔結構復雜，體積較大，不利于器件的集成化和小型化。美國的研究人員則通過優化VCSEL的有源區材料和結構，減小線寬增強因子，從而實現線寬壓窄。他們采用量子點有源區替代傳統的量子阱有源區，利用量子點的三維限制特性，降低了載流子的擴散和復合，減小了線寬增強因子，使線寬得到了一定程度的壓縮。國內在VCSEL線寬壓窄研究方面也取得了重要突破。北京工業大學關寶璐教授團隊提出了一種膽甾型液晶（CLC）耦合腔VCSEL的創新解決方案，依靠腔內弱光反饋耦合效應，使光子產生相干疊加并顯著壓窄VCSEL的線寬，實現了2.46MHz的線寬輸出，這是目前報道的線寬最窄、體積最小的微米集成VCSEL。該方法利用CLC薄膜的選擇性反射特性，將其集成在VCSEL上表面，形成反饋系統，通過精確控制光反饋的強度和相位，不僅顯著減小了線寬，還提升了VCSEL的光束質量和頻率穩定性。濰坊先進光電芯片研究院發明了一種正弦光柵耦合非周期DBR擴展腔的垂直腔面發射激光器，在傳統氧化物限制型VCSEL中引入非周期性DBR擴展腔和表面正弦光柵耦合結構，壓窄線寬，實現偏振調控，非周期DBR擴展腔能夠有效增加VCSEL等效腔長，壓窄線寬，降低發散角；表面正弦光柵可實現良好的偏振及模式過濾效果，提高VCSEL偏振抑制比和穩定性，同時可降低VCSEL內部的相位噪聲及強度噪聲。盡管如此，線寬壓窄研究仍面臨諸多挑戰。大多數線寬壓窄方法需要重新設計外延結構，涉及復雜的工藝制備或伴隨復雜的外腔擴展系統，這增加了器件制備的難度和成本。此外，目前實現的窄線寬VCSEL在功率、效率和穩定性等方面還存在一定的局限性，難以同時滿足高性能和小型化的要求。在實際應用中，如何在保證窄線寬的同時，提高VCSEL的綜合性能，如輸出功率、調制速率等，是未來研究需要重點關注的問題。1.3研究內容與方法1.3.1研究內容本研究聚焦于垂直腔面發射激光器（VCSEL）的模式控制及線寬壓窄，具體內容如下：模式控制原理與方法研究：深入剖析VCSEL的模式形成機制，從理論層面探究不同結構參數（如諧振腔長度、DBR反射鏡的反射率和周期數、有源區的厚度和材料特性等）對模式特性（包括模式數量、模式分布、模式競爭等）的影響規律。基于這些理論分析，探索新型的模式控制方法，如通過優化器件的幾何結構，設計特殊的光場限制結構或引入新型的光學材料，來實現對模式的有效調控。例如，研究采用光子晶體結構來限制光場的傳播，抑制高階模式的產生，提高基模的穩定性和純度。線寬壓窄原理與方法研究：系統研究VCSEL線寬展寬的物理根源，包括增益介質的特性（如載流子的復合過程、線寬增強因子等）、諧振腔的結構和損耗等因素對線寬的影響。在此基礎上，研究新的線寬壓窄技術，如利用光反饋技術，通過在VCSEL外部引入合適的反饋元件（如光纖布拉格光柵、微納結構反射鏡等），精確控制反饋光的強度、相位和頻率，實現線寬的顯著壓窄；或者探索基于新型有源區材料（如量子點、量子阱與量子點混合結構等）的VCSEL設計，利用這些材料獨特的光學和電學性質，減小線寬增強因子，從而達到壓窄線寬的目的。模式控制與線寬壓窄的協同優化：考慮到模式控制和線寬壓窄在實際應用中往往相互關聯，研究如何在實現高效模式控制的同時，實現線寬的有效壓窄，以提升VCSEL的綜合性能。分析不同模式控制方法和線寬壓窄技術之間的相互作用和影響，尋找最佳的協同優化方案。例如，在采用某種模式控制結構時，研究如何調整線寬壓窄措施，以避免對模式穩定性產生負面影響，同時確保線寬達到預期的壓窄效果。實驗驗證與性能評估：根據理論研究和數值模擬的結果，設計并制備具有特定模式控制和線寬壓窄結構的VCSEL器件。利用先進的實驗測試設備和技術，對制備的器件進行全面的性能測試，包括模式特性（如模式分辨、模式純度、光束質量等）、線寬特性（如線寬測量、線寬隨工作電流和溫度的變化等）、輸出功率、閾值電流、效率等參數的測量。將實驗結果與理論分析和數值模擬結果進行對比，驗證理論模型的正確性和所提出方法的有效性，評估器件的性能是否滿足預期的應用要求。1.3.2研究方法為實現上述研究內容，本研究將綜合運用理論分析、數值模擬和實驗研究等多種方法：理論分析：運用經典的激光物理理論，如速率方程理論、波動光學理論等，建立VCSEL的理論模型，分析模式控制和線寬壓窄的物理機制。通過數學推導和理論計算，得到模式特性和線寬與器件結構參數、材料參數之間的定量關系，為后續的數值模擬和實驗研究提供理論基礎和指導。數值模擬：利用專業的數值模擬軟件，如COMSOLMultiphysics、FDTDSolutions等，對VCSEL的光場分布、模式特性、線寬特性等進行數值模擬。通過建立精確的器件模型，模擬不同結構參數和工作條件下VCSEL的性能，預測模式控制和線寬壓窄方法的效果。數值模擬可以快速、直觀地展示各種因素對VCSEL性能的影響，幫助優化器件設計，減少實驗次數和成本。實驗研究：搭建完善的實驗平臺，進行VCSEL器件的制備和性能測試。在器件制備過程中，采用先進的半導體工藝技術，如分子束外延（MBE）、金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）等，精確控制材料的生長和器件的結構。利用光譜分析儀、光束質量分析儀、光功率計等實驗設備，對制備的VCSEL器件進行全面的性能測試和分析。通過實驗研究，驗證理論分析和數值模擬的結果，解決實際應用中出現的問題，進一步優化器件性能。二、垂直腔面發射激光器基礎理論2.1VCSEL的結構與工作原理垂直腔面發射激光器（VCSEL）的基本結構主要由上下分布式布拉格反射鏡（DistributedBraggReflector，DBR）、有源區以及電極等部分組成。DBR是VCSEL的關鍵組成部分，它由兩種具有不同折射率的材料交替生長而成，每層材料的厚度通常為四分之一波長。以常見的GaAs/AlGaAs材料體系為例，通過精確控制GaAs和AlGaAs兩種材料的生長層數和厚度，形成DBR結構。這種結構利用不同材料界面處的光學反射特性，對特定波長的光產生高反射率，一般可達到99%以上。DBR的作用類似于一個光學濾波器，只允許特定波長范圍的光在其中多次反射，從而形成穩定的光振蕩，抑制其他波長的光輸出，為激光器提供精確的波長選擇和光學反饋。有源區是VCSEL實現光發射的核心區域，通常位于上下DBR之間。它一般由量子阱（QuantumWells，QWs）或量子點（QuantumDots，QDs）結構組成。以量子阱結構為例，在GaAs襯底上生長InGaAs量子阱，通過量子限制效應，將電子和空穴限制在量子阱中，增加它們的復合概率，從而提高光發射效率。當有源區注入電流時，電子和空穴在量子阱中復合，產生光子，實現受激輻射過程。電極則用于為VCSEL提供驅動電流，使有源區實現粒子數反轉，從而產生激光。一般分為p型電極和n型電極，分別位于器件的不同位置，通過外部電路施加電壓，使電流能夠順利注入有源區。VCSEL的工作原理基于受激輻射和光反饋過程。當在VCSEL的電極上施加正向偏壓時，電流注入有源區。在有源區內，電子和空穴在電場作用下被注入到量子阱或量子點中，形成粒子數反轉分布。處于激發態的電子與空穴復合，釋放出光子，這就是自發輻射過程。自發輻射產生的光子在有源區內傳播，其中一部分光子的傳播方向與VCSEL的腔軸方向一致，這些光子會在上下DBR之間來回反射。在反射過程中，光子不斷與有源區中的電子和空穴相互作用，引發受激輻射，產生更多與入射光子具有相同頻率、相位和偏振態的光子，實現光的放大。當光在腔內的增益足以克服各種損耗（如DBR的吸收損耗、散射損耗以及輸出耦合損耗等）時，就會形成穩定的激光振蕩，并從VCSEL的頂部或底部垂直輸出。例如，在一個典型的850nm波長的VCSEL中，當注入電流逐漸增加時，首先觀察到的是自發輻射光，其光譜較寬且光強較弱。隨著電流進一步增大，達到閾值電流后，受激輻射過程占據主導，激光開始振蕩輸出，此時光譜變窄，光強急劇增強，輸出穩定的850nm波長的激光。這種工作原理使得VCSEL能夠實現高效的光發射和精確的波長控制，為其在眾多領域的應用奠定了基礎。2.2VCSEL的模式理論2.2.1模式的形成與分類在垂直腔面發射激光器（VCSEL）中，模式的形成源于光在諧振腔內的多次反射和干涉。當光在由上下分布式布拉格反射鏡（DBR）構成的諧振腔內傳播時，滿足特定相位條件和邊界條件的光會形成穩定的駐波，這些駐波對應的光場分布即為VCSEL的模式。從分類上看，VCSEL的模式主要分為橫模和縱模。橫模是指在垂直于激光傳播方向（即垂直于VCSEL腔軸方向）的橫截面上的光場分布模式。基橫模（通常記為TEM_{00}模）在橫截面上呈現出中心對稱的高斯分布，其光強分布集中在中心區域，光斑形狀接近圓形，具有最小的發散角和最高的光束質量。而高階橫模則具有更為復雜的光場分布，例如TEM_{10}模在橫截面上會出現兩個光斑，TEM_{20}模會出現三個光斑等，高階橫模的存在會導致光束質量下降，發散角增大。以850nm波長的VCSEL為例，在一些未經過特殊模式控制的器件中，當注入電流較低時，可能以基橫模輸出，光斑呈現出規則的圓形；但隨著注入電流的增加，高階橫模開始出現，光斑會變得不規則，出現多個強度峰值，這會嚴重影響VCSEL在一些對光束質量要求較高的應用中的性能。縱模則是指沿著激光傳播方向（即VCSEL腔軸方向）的光場分布模式。VCSEL的諧振腔長度通常在微米量級，相對較短。根據諧振腔的駐波條件，縱模的頻率間隔較大，這使得VCSEL在一般情況下更容易實現單縱模輸出。縱模的頻率可以表示為v_{q}=q\frac{c}{2nL}，其中q為縱模序數，c為真空中的光速，n為諧振腔內介質的折射率，L為諧振腔長度。由于VCSEL的腔長L較短，不同縱模之間的頻率間隔\Deltav=\frac{c}{2nL}較大，當增益譜寬度有限時，往往只有一個縱模能夠滿足閾值條件，從而實現單縱模振蕩。例如，在一個典型的980nmVCSEL中，諧振腔長度為1μm，介質折射率為3.5，計算可得縱模間隔約為43GHz，而一般VCSEL的增益譜寬度在幾十GHz左右，因此很容易實現單縱模輸出。2.2.2影響模式的因素諧振腔尺寸是影響VCSEL模式的重要因素之一。諧振腔的長度直接決定了縱模的頻率間隔，如前文所述，腔長越短，縱模間隔越大，越有利于實現單縱模輸出。當VCSEL的諧振腔長度從1μm增加到2μm時，縱模間隔會從43GHz減小到21.5GHz，此時就更容易出現多個縱模同時振蕩的情況。諧振腔的橫向尺寸（如圓形VCSEL的有源區直徑或方形VCSEL的邊長）對橫模有顯著影響。較小的橫向尺寸會限制光場的橫向擴展，有利于抑制高階橫模，實現基橫模輸出。當有源區直徑從10μm減小到5μm時，高階橫模的損耗會增加，基橫模的穩定性增強，更易獲得高質量的基橫模輸出。折射率分布也對VCSEL的模式產生重要影響。DBR的折射率對比度決定了其對光的反射能力。較高的折射率對比度可以使DBR對特定波長的光具有更高的反射率，從而增強光在諧振腔內的振蕩，提高模式的穩定性。對于一個由GaAs/AlGaAs材料組成的DBR，當AlGaAs中Al的組分增加時，其與GaAs的折射率對比度增大，DBR的反射率可從98%提高到99.5%以上，這有助于更好地限制光場在諧振腔內，實現穩定的模式振蕩。有源區與周圍材料的折射率差會影響光場在有源區的限制程度。較大的折射率差可以使光場更集中在有源區，提高光與有源區中載流子的相互作用效率，增強模式的增益。在InGaAs量子阱有源區與GaAs勢壘層組成的結構中，由于InGaAs的折射率高于GaAs，光場能夠有效地被限制在量子阱中，實現高效的光發射。增益介質的特性同樣是影響VCSEL模式的關鍵因素。增益介質的增益譜寬度決定了能夠滿足振蕩條件的縱模數量。較窄的增益譜寬度使得只有少數幾個縱模能夠獲得足夠的增益，從而實現單縱模或少數幾個縱模振蕩。量子點增益介質由于其量子限域效應，具有較窄的增益譜寬度，相比傳統的量子阱增益介質，更容易實現單縱模輸出。增益介質中的載流子分布不均勻會導致模式的畸變和不穩定。在大電流注入情況下，有源區中可能出現載流子的聚集或耗盡現象，使得增益分布不均勻，從而影響模式的穩定性，導致高階橫模的出現或模式的跳變。2.3VCSEL的線寬理論2.3.1線寬的產生機制垂直腔面發射激光器（VCSEL）的線寬產生是多種物理機制共同作用的結果。從微觀層面來看，能級的有限壽命是導致線寬的重要因素之一。根據量子力學的不確定性原理，能級的壽命與能量的不確定性之間存在著密切關系。在VCSEL的有源區中，電子在激發態的壽命是有限的，這使得其能量存在一定的不確定性，進而導致發射光子的頻率存在一定的展寬。以InGaAs量子阱有源區為例，電子在激發態的壽命通常在皮秒量級，根據不確定性原理\DeltaE\Deltat\geq\frac{h}{4\pi}（其中\DeltaE為能量不確定性，\Deltat為時間不確定性，h為普朗克常數），可以計算出由于能級有限壽命引起的頻率展寬在幾十到幾百GHz的范圍。粒子碰撞也是導致線寬展寬的重要原因。在有源區內，電子與空穴、電子與電子以及電子與晶格振動等粒子之間存在頻繁的碰撞。這些碰撞會改變粒子的運動狀態和能量分布，使得發射光子的相位發生隨機變化，從而導致線寬展寬。當電子與晶格振動碰撞時，晶格振動的能量量子（聲子）會與電子相互作用，電子吸收或發射聲子，導致其能量和動量發生改變，進而影響光子的發射過程，使線寬展寬。這種由于粒子碰撞引起的線寬展寬通常與溫度密切相關，溫度升高，粒子的熱運動加劇，碰撞頻率增加，線寬也會相應增大。熱運動同樣對VCSEL的線寬產生影響。有源區內的載流子（電子和空穴）在熱平衡狀態下具有一定的熱運動速度分布。由于熱運動的隨機性，不同載流子發射的光子頻率會存在微小差異，這些微小差異的疊加導致了線寬的展寬。根據麥克斯韋-玻爾茲曼分布，載流子的熱運動速度與溫度的平方根成正比，因此溫度升高時，載流子的熱運動加劇，線寬展寬效應更加明顯。在高溫環境下，VCSEL的線寬會顯著增加，這對其在一些對溫度穩定性要求較高的應用中是一個重要的限制因素。自發輻射是線寬產生的根本物理機制。在VCSEL中，當有源區注入電流實現粒子數反轉后，除了受激輻射產生相干光輸出外，還存在自發輻射過程。自發輻射是一種隨機的過程，其發射的光子具有不同的相位和頻率，這些自發輻射光子會疊加在受激輻射產生的激光信號上，導致激光線寬的展寬。根據肖洛-湯斯理論，激光的線寬極限由自發輻射決定，其表達式為\Delta\nu=\frac{\pih\nu_0^2}{P}\frac{\gamma_{sp}}{\tau_{ph}}，其中\Delta\nu為線寬，h為普朗克常數，\nu_0為激光頻率，P為輸出功率，\gamma_{sp}為自發輻射系數，\tau_{ph}為光子壽命。從這個公式可以看出，輸出功率越高，線寬越窄；自發輻射系數越大，線寬越寬。因此，減少自發輻射是實現窄線寬VCSEL的關鍵之一。2.3.2影響線寬的因素自發輻射對VCSEL線寬有著顯著影響。自發輻射系數\gamma_{sp}與有源區的材料特性和結構密切相關。采用量子點有源區的VCSEL，由于量子點的三維量子限制效應，電子和空穴被限制在很小的空間范圍內，自發輻射的概率相對較低，從而可以減小線寬。與傳統的量子阱有源區相比，量子點有源區的自發輻射系數可降低一個數量級以上，這使得基于量子點的VCSEL能夠實現更窄的線寬。自發輻射光子與受激輻射光子的比例也會影響線寬。當自發輻射光子在總光子數中所占比例較大時，激光的線寬會明顯展寬。通過優化器件結構和工作條件，提高受激輻射效率，降低自發輻射的影響，是減小線寬的重要途徑。增益介質特性是影響VCSEL線寬的關鍵因素。增益介質的增益譜寬度對線寬有直接影響。較寬的增益譜會使更多頻率的光子獲得增益，從而導致線寬展寬。量子阱增益介質的增益譜寬度通常在幾十納米左右，這限制了其在對窄線寬要求較高的應用中的使用。而量子點增益介質由于其離散的能級結構，增益譜寬度可窄至幾納米，更有利于實現窄線寬輸出。增益介質中的載流子分布不均勻也會導致線寬展寬。在大電流注入情況下，有源區可能出現載流子的聚集或耗盡現象，使得增益分布不均勻，進而影響光子的發射頻率，導致線寬增大。通過優化有源區的設計和電流注入方式，改善載流子分布的均勻性，可以減小線寬。諧振腔損耗同樣對線寬產生重要影響。諧振腔的損耗包括DBR的吸收損耗、散射損耗以及輸出耦合損耗等。較高的損耗會使光子在腔內的壽命縮短，根據線寬與光子壽命的關系\Delta\nu=\frac{1}{2\pi\tau_{ph}}（其中\Delta\nu為線寬，\tau_{ph}為光子壽命），光子壽命越短，線寬越寬。當DBR的吸收損耗增加時，光子在腔內往返過程中被吸收的概率增大，光子壽命縮短，線寬會相應展寬。因此，降低諧振腔的損耗，提高光子壽命，是減小線寬的有效方法。優化DBR的結構和材料，減少吸收和散射損耗，合理設計輸出耦合系數，在保證足夠的輸出功率的同時，盡量減小輸出耦合損耗，都有助于實現窄線寬輸出。三、垂直腔面發射激光器的模式控制方法3.1基于結構設計的模式控制3.1.1諧振腔尺寸優化諧振腔作為VCSEL的核心組成部分，其尺寸對模式特性有著至關重要的影響。通過精確調整諧振腔的長度、直徑等尺寸，可以實現對模式的有效控制。從理論層面來看，諧振腔長度對縱模特性有著關鍵影響。根據諧振腔的駐波條件，縱模頻率v_{q}=q\frac{c}{2nL}，其中q為縱模序數，c為真空中的光速，n為諧振腔內介質的折射率，L為諧振腔長度。由此可知，諧振腔長度L與縱模頻率間隔\Deltav=\frac{c}{2nL}成反比關系。當諧振腔長度減小時，縱模間隔增大，這使得在增益譜寬度有限的情況下，更容易實現單縱模輸出。以一個典型的980nmVCSEL為例，若初始諧振腔長度為1μm，計算可得縱模間隔約為43GHz；當將諧振腔長度減小至0.5μm時，縱模間隔增大至86GHz，此時更有利于實現單縱模振蕩，減少多縱模帶來的模式競爭和不穩定性。諧振腔的橫向尺寸，如圓形VCSEL的有源區直徑，對橫模特性有著顯著影響。較小的有源區直徑能夠限制光場的橫向擴展，增加高階橫模的損耗，從而有利于實現基橫模輸出。當有源區直徑從10μm減小到5μm時，高階橫模在傳播過程中會受到更強的限制，其損耗顯著增加，而基橫模由于光場更集中在中心區域，受到的影響較小，因此更容易實現穩定的基橫模輸出。這是因為較小的有源區直徑使得光場在橫向方向上的分布更加集中，高階橫模的光場分布相對更分散，更容易與腔壁相互作用而產生損耗。在實際的器件設計中，諧振腔尺寸的優化需要綜合考慮多個因素。以某款用于光通信的VCSEL器件為例，研究人員通過數值模擬和實驗驗證，對諧振腔的長度和直徑進行了優化。在優化過程中，首先利用數值模擬軟件COMSOLMultiphysics對不同諧振腔尺寸下的光場分布和模式特性進行模擬分析。模擬結果表明，當諧振腔長度在0.8-1.2μm范圍內，有源區直徑在6-8μm范圍內時，器件能夠實現較好的單模性能。隨后進行實驗制備，對不同尺寸的VCSEL器件進行性能測試。測試結果顯示，當諧振腔長度為1μm，有源區直徑為7μm時，器件的基模純度達到98%以上，光束質量因子M2接近1.1，輸出功率在滿足光通信需求的同時，具有良好的穩定性。這一結果表明，通過精確優化諧振腔尺寸，可以有效提高VCSEL的模式性能，滿足實際應用的需求。3.1.2分布式布拉格反射鏡設計分布式布拉格反射鏡（DBR）是VCSEL的關鍵組成部分，其設計原理基于不同折射率材料的交替排列，對特定波長的光產生高反射率，從而實現光的振蕩和模式選擇。DBR通常由兩種具有不同折射率的材料，如GaAs和AlGaAs，交替生長而成，每層材料的厚度為四分之一波長。DBR的反射率是影響VCSEL模式的重要參數。較高的反射率能夠增強光在諧振腔內的振蕩，提高模式的穩定性。反射率R與DBR的周期數N、兩種材料的折射率差\Deltan等因素有關，其計算公式為R=\left(\frac{n_{H}-n_{L}}{n_{H}+n_{L}}\right)^{2N}，其中n_{H}和n_{L}分別為高折射率材料和低折射率材料的折射率。當DBR的周期數從20增加到30時，反射率可從98%提高到99.5%以上，這使得光在腔內的往返增益增加，模式的穩定性得到顯著提升。高反射率還可以減少光的泄漏，提高光與有源區中載流子的相互作用效率，增強模式的增益。DBR的層數也對模式選擇起著重要作用。層數的增加會使DBR的反射帶寬變窄，從而更精確地選擇特定波長的模式。當DBR的層數較少時，反射帶寬較寬，可能會允許多個波長的模式同時振蕩；而隨著層數的增加，反射帶寬逐漸變窄，只有特定波長的模式能夠滿足反射條件，從而實現模式的選擇。在一個設計用于1310nm波長的VCSEL中，當DBR的層數為25對時，反射帶寬約為50nm，此時可能會有多個波長相近的模式同時存在；當層數增加到35對時，反射帶寬減小到20nm，能夠更有效地選擇1310nm波長的模式，抑制其他模式的振蕩。除了反射率和層數，DBR的結構設計還可以采用一些特殊的方式來實現更好的模式控制。例如，漸變折射率DBR結構，通過逐漸改變DBR中材料的折射率，能夠優化光場在DBR中的分布，減少光的散射和損耗，進一步提高模式的穩定性。在漸變折射率DBR中，從有源區到DBR外層，材料的折射率逐漸變化，使得光在傳播過程中能夠更平滑地過渡，減少了由于折射率突變引起的散射和損耗。這種結構可以有效地提高VCSEL的性能，特別是在對模式純度和穩定性要求較高的應用中。3.2基于物理效應的模式控制3.2.1熱光效應熱光效應是一種重要的物理現象，它為垂直腔面發射激光器（VCSEL）的模式控制提供了獨特的方法。熱光效應的原理基于材料的折射率隨溫度變化的特性。對于大多數常見的光學材料，如GaAs、InP等，其折射率與溫度之間存在著一定的函數關系。以GaAs材料為例，其折射率隨溫度的變化可近似表示為n(T)=n_0+\alpha(T-T_0)，其中n_0是溫度為T_0時的折射率，\alpha為熱光系數，T為當前溫度。在VCSEL中，利用熱光效應實現模式控制的基本方式是通過改變諧振腔材料的溫度，進而改變其折射率，從而影響光在諧振腔內的傳播特性，實現對模式的調控。這一過程可以通過加熱或制冷諧振腔來實現。當對VCSEL的諧振腔進行加熱時，腔內材料的溫度升高，折射率增大。根據光的傳播理論，光在折射率較大的介質中傳播時，其傳播路徑會發生變化，這會導致諧振腔內的模式分布發生改變。由于折射率的變化，原來滿足諧振條件的模式可能不再滿足，而新的模式可能會滿足諧振條件，從而實現模式的切換或選擇。在實際應用中，研究人員通過在VCSEL的襯底或其他合適位置集成微型加熱元件，如電阻加熱絲，來實現對諧振腔溫度的精確控制。當電流通過電阻加熱絲時，電能轉化為熱能，使諧振腔的溫度升高。通過控制電流的大小，可以精確調節加熱絲產生的熱量，從而精確控制諧振腔的溫度變化。研究表明，在一個采用GaAs材料的VCSEL中，當通過加熱使諧振腔溫度升高10K時，其模式分布發生了明顯變化，高階橫模的損耗增加，基橫模的穩定性得到提高。相反，通過制冷降低諧振腔溫度也可以實現類似的模式控制效果。當溫度降低時，材料的折射率減小，同樣會導致光在諧振腔內的傳播特性發生改變，從而實現模式的調控。在一些對溫度穩定性要求較高的應用中，制冷方式可以有效避免溫度升高對器件性能的不利影響，同時實現精確的模式控制。通過在VCSEL的封裝中引入微型制冷器，如帕爾貼制冷器，能夠精確控制諧振腔的溫度，實現對模式的穩定控制。實驗結果表明，在制冷條件下，VCSEL的模式純度得到了顯著提高，光束質量得到了有效改善。3.2.2電光效應電光效應在垂直腔面發射激光器（VCSEL）的模式控制中也發揮著重要作用。電光效應是指某些材料在電場作用下，其折射率會發生變化的現象。這種效應可分為線性電光效應（泡克爾斯效應）和二次電光效應（克爾效應）。線性電光效應中，材料的折射率變化與外加電場強度成正比，其表達式為n=n_0+\gammaE，其中n_0為未加電場時的折射率，\gamma為線性電光系數，E為外加電場強度；在二次電光效應中，折射率變化與外加電場強度的平方成正比。在VCSEL中，利用電光效應調控模式的基本原理是通過在器件上施加電場，改變有源區或其他關鍵區域材料的折射率，進而改變光在諧振腔內的傳播特性，實現對模式的有效控制。在實際應用中，通常在VCSEL的電極上施加一定的電壓，從而在有源區或其他需要調控的區域產生電場。當施加正向電壓時，電場強度增加，根據電光效應，材料的折射率會發生相應變化。對于采用具有線性電光效應材料的VCSEL，如某些鈮酸鋰（LiNbO?）摻雜的半導體材料，當在電極上施加1V的電壓時，有源區材料的折射率變化可達10^{-4}量級，這足以對光在諧振腔內的傳播產生顯著影響。通過精確控制外加電場的強度和方向，可以實現對模式的精確調控。當需要抑制高階橫模時，可以調整電場強度，使高階橫模的傳播常數發生改變，增加其在諧振腔內的損耗，從而實現對高階橫模的有效抑制。通過改變電場方向，還可以調整模式的偏振特性，實現對偏振模式的控制。在一些需要特定偏振模式輸出的應用中，如光通信中的偏振復用技術，這種基于電光效應的偏振模式控制方法具有重要的應用價值。研究人員通過實驗驗證，在施加特定電場的情況下，VCSEL能夠實現穩定的單偏振模式輸出，偏振消光比達到20dB以上，滿足了實際應用的需求。三、垂直腔面發射激光器的模式控制方法3.3模式控制的實驗研究與結果分析3.3.1實驗方案設計為了深入研究垂直腔面發射激光器（VCSEL）的模式控制效果，本實驗搭建了一套完整的實驗裝置。該裝置主要由VCSEL器件、溫控系統、電流驅動源、光束質量分析儀、光譜分析儀等部分組成。VCSEL器件采用分子束外延（MBE）技術在GaAs襯底上生長制備，其基本結構包括上下分布式布拉格反射鏡（DBR）、有源區以及氧化限制層等。其中，DBR由GaAs和AlGaAs材料交替生長而成，共30對，以確保對特定波長的光具有高反射率；有源區為InGaAs量子阱結構，厚度為10nm，包含3個量子阱，以提高光發射效率；氧化限制層采用濕法氧化工藝在高Al組分的AlGaAs層中形成，用于限制光場和電流的分布，從而實現對模式的初步控制。溫控系統采用高精度的熱電制冷器（TEC），能夠精確控制VCSEL器件的工作溫度，溫度控制精度可達±0.1℃。這是因為溫度對VCSEL的性能有著重要影響，通過精確控制溫度，可以確保實驗結果的準確性和可重復性。電流驅動源為恒流源，能夠提供穩定的電流輸出，電流調節范圍為0-100mA，分辨率為0.1mA。穩定的電流輸出對于研究VCSEL在不同注入電流下的模式特性至關重要。光束質量分析儀采用德國某公司生產的高精度儀器，能夠對VCSEL輸出光束的光斑形狀、光束質量因子M2等參數進行精確測量。光譜分析儀則選用日本某公司的產品，波長分辨率可達0.01nm，能夠準確測量VCSEL的發射光譜，包括中心波長、線寬以及模式分布等信息。在實驗過程中，首先將VCSEL器件安裝在溫控系統的制冷臺上，確保器件與制冷臺之間良好的熱接觸。然后，通過電流驅動源向VCSEL器件注入不同大小的電流，從0開始逐漸增加，每次增加1mA，記錄下每個電流值下VCSEL的輸出特性。在每個電流值下，利用光束質量分析儀測量輸出光束的光斑形狀和光束質量因子M2，通過分析光斑形狀的變化和M2值的大小，可以判斷VCSEL的模式狀態，如是否為基模輸出、高階模的出現情況等。同時，利用光譜分析儀測量發射光譜，分析中心波長的漂移、線寬的變化以及模式的數量和強度分布等信息。通過改變溫控系統的溫度，從25℃開始，每次增加5℃，重復上述測量過程，研究溫度對VCSEL模式特性的影響。3.3.2實驗結果與討論通過上述實驗方案，對VCSEL的模式控制效果進行了全面的測試和分析。實驗結果表明，在不同的控制條件下，VCSEL的模式特性發生了顯著變化。在諧振腔尺寸優化方面，當有源區直徑從8μm減小到6μm時，實驗測量得到的光束質量因子M2從1.5降低到1.2，表明高階橫模得到了有效抑制，基橫模的純度和光束質量得到了提高。這與理論分析中較小的有源區直徑能夠限制光場橫向擴展，增加高階橫模損耗的結論一致。從光譜分析結果來看，當有源區直徑為8μm時，在較高注入電流下，光譜中出現了多個模式峰，表明存在高階橫模振蕩；而當有源區直徑減小到6μm后，光譜中僅出現一個明顯的主峰，對應基橫模，高階模的強度明顯降低，進一步驗證了諧振腔尺寸優化對模式控制的有效性。對于分布式布拉格反射鏡（DBR）設計，當DBR的周期數從25增加到30時，VCSEL的閾值電流從1.5mA降低到1.2mA，輸出功率從5mW提高到7mW，同時模式的穩定性得到了顯著提升。這是因為增加DBR的周期數提高了其反射率，增強了光在諧振腔內的振蕩，減少了光的泄漏，從而提高了模式的增益和穩定性。在實驗中觀察到，當DBR周期數為25時，隨著注入電流的增加，模式容易發生跳變，輸出光的強度和光譜穩定性較差；而當DBR周期數增加到30后，模式跳變現象明顯減少，輸出光的強度和光譜更加穩定，與理論預期相符。利用熱光效應實現模式控制時，當通過加熱使VCSEL的諧振腔溫度升高10K時，實驗測量發現高階橫模的損耗增加，基橫模的穩定性提高。具體表現為光束質量因子M2從1.4降低到1.3，光斑形狀更加規則，接近圓形。這是因為溫度升高導致諧振腔材料的折射率增大，光在腔內的傳播特性發生改變，使得高階橫模的傳播常數發生變化，損耗增加，而基橫模由于其光場分布的特點，受到的影響較小，從而實現了對高階橫模的抑制和基橫模的穩定。在利用電光效應調控模式的實驗中，當在VCSEL的電極上施加1V的正向電壓時，通過光束質量分析儀和光譜分析儀的測量，發現高階橫模得到了有效抑制，實現了穩定的單偏振模式輸出，偏振消光比達到20dB以上。這是因為施加電場后，有源區材料的折射率發生變化，改變了光在諧振腔內的傳播特性，使得高階橫模的損耗增加，同時調整了模式的偏振特性，實現了對偏振模式的有效控制。實驗結果與理論分析中電光效應通過改變折射率來調控模式的原理一致。綜上所述，本實驗通過對不同模式控制方法的研究，驗證了理論分析的正確性，為VCSEL的模式控制提供了實驗依據和技術支持。同時，實驗結果也表明，綜合運用多種模式控制方法，能夠進一步提高VCSEL的模式性能，滿足不同應用場景的需求。四、垂直腔面發射激光器的線寬壓窄技術4.1傳統線寬壓窄方法4.1.1減小線寬增強因子α線寬增強因子α是描述半導體激光器中載流子濃度變化對折射率和光學增益影響的重要參數。在垂直腔面發射激光器（VCSEL）中，α的大小直接關系到線寬的展寬程度。其原理基于半導體材料的能帶結構和載流子的復合過程。當有源區注入電流時，載流子濃度發生變化，這不僅會導致光學增益的改變，還會引起材料折射率的變化。這種折射率的變化會使發射光子的相位發生改變，進而導致線寬展寬。減小線寬增強因子α的方法主要從材料和結構設計入手。在材料方面，采用量子點有源區是一種有效的途徑。量子點具有獨特的三維量子限制效應，電子和空穴被限制在極小的空間范圍內，其能態密度呈現出類似δ函數的特性。與傳統的量子阱有源區相比，量子點的增益譜更窄且更對稱，這使得載流子濃度變化對折射率的影響減小，從而降低了線寬增強因子。理論研究表明，理想的量子點激光器的線寬增強因子可趨近于0。在實際制備中，通過精確控制量子點的生長工藝，如采用分子束外延（MBE）或金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）技術，精確控制量子點的尺寸、密度和分布均勻性，能夠有效減小線寬增強因子。采用InAs/GaAs量子點有源區的VCSEL，通過優化生長條件，使線寬增強因子從傳統量子阱有源區的3-5降低到1-2。從結構設計角度，通過優化有源區的結構，如采用多量子阱與量子點混合結構，也可以減小線寬增強因子。在這種混合結構中，量子阱提供主要的增益，而量子點則用于調節載流子的分布和折射率變化。通過合理設計量子阱和量子點的層數、厚度以及它們之間的耦合強度，可以有效降低載流子濃度變化對折射率的影響，從而減小線寬增強因子。研究人員設計了一種包含3個量子阱和一層量子點的混合有源區結構，實驗結果表明，該結構的VCSEL線寬增強因子相比傳統量子阱結構降低了約30%。減小線寬增強因子α雖然能夠有效壓窄線寬，但也存在一定的局限性。一方面，量子點有源區的制備工藝復雜，成本較高，難以實現大規模生產。量子點的生長過程對生長條件非常敏感，微小的變化可能導致量子點的質量和性能差異，增加了制備的難度和不確定性。另一方面，減小線寬增強因子α往往會伴隨著其他性能的犧牲，如量子點有源區的增益相對較低，可能需要更高的注入電流來實現相同的輸出功率，這會增加器件的功耗和發熱。在實際應用中，需要綜合考慮線寬壓窄效果與其他性能指標之間的平衡。4.1.2增加諧振腔長度增加諧振腔長度是傳統的垂直腔面發射激光器（VCSEL）線寬壓窄方法之一，其原理基于激光線寬與諧振腔長度的反比關系。根據激光理論，線寬\Delta\nu與光子壽命\tau_{ph}成反比，而光子壽命又與諧振腔長度L相關，可表示為\tau_{ph}=\frac{L}{c/n}，其中c為真空中的光速，n為諧振腔內介質的折射率。當諧振腔長度增加時，光子在腔內往返的時間變長，光子壽命增加，從而線寬減小。在實際應用中，增加諧振腔長度的方法有多種。一種常見的方式是在傳統VCSEL的基礎上，增加分布式布拉格反射鏡（DBR）的對數。DBR作為諧振腔的重要組成部分，其對數的增加不僅可以提高反射率，還能增加諧振腔的有效長度。在一個典型的VCSEL中，當DBR對數從25對增加到35對時，諧振腔的有效長度從約1μm增加到1.5μm，理論計算可得線寬將減小約33%。通過在VCSEL的有源區兩側生長額外的無源波導層，也可以實現諧振腔長度的增加。這些無源波導層可以引導光在其中傳播，延長光在腔內的路徑，從而增加光子壽命，減小線寬。然而，這種方法在實際應用中面臨諸多挑戰。增加DBR對數會顯著增加器件的制備工藝復雜度和成本。DBR的生長需要精確控制材料的生長層數和厚度，對數的增加意味著更多的生長步驟和更高的工藝精度要求。生長過程中微小的誤差可能導致DBR的反射率不均勻，影響諧振腔的性能，進而影響線寬壓窄效果。增加無源波導層會增加器件的體積和尺寸，不利于VCSEL的小型化和集成化。在一些對器件尺寸要求嚴格的應用場景，如便攜式設備中的光通信模塊和小型化的激光雷達系統，過大的器件尺寸會限制其應用。隨著諧振腔長度的增加，光在腔內傳播時的損耗也會增加，這可能導致輸出功率降低。為了維持足夠的輸出功率，需要提高注入電流，這又會帶來功耗增加和發熱等問題，進一步影響器件的性能和穩定性。4.1.3光反饋技術光反饋技術是一種常用的垂直腔面發射激光器（VCSEL）線寬壓窄方法，其原理是將部分輸出光反饋回諧振腔，與腔內的光場相互作用，從而改變激光器的輸出特性。光反饋可以分為內腔光反饋和外腔光反饋兩種類型。內腔光反饋通常通過在VCSEL內部集成布拉格光柵或者特殊波導結構來實現。在集成布拉格光柵的VCSEL中，光柵對特定波長的光產生反射，形成光反饋。這種反饋光與腔內的光場發生干涉，改變了光場的分布和相位，從而影響激光器的振蕩模式和線寬。通過精確設計光柵的周期、占空比和折射率調制深度，可以實現對光反饋強度和相位的精確控制，進而實現線寬壓窄。采用啁啾布拉格光柵的VCSEL，通過調整光柵的啁啾特性，能夠在一定程度上優化光反饋效果，使線寬得到有效壓窄。外腔光反饋則是將VCSEL的輸出光通過外部光學元件（如反射鏡、光纖布拉格光柵等）反射回諧振腔。光纖布拉格光柵（FBG）是一種常用的外腔光反饋元件，它具有窄帶濾波特性，能夠對特定波長的光進行反射。當VCSEL的輸出光經過FBG時，特定波長的光被反射回VCSEL諧振腔，與腔內光場相互作用。通過調整FBG與VCSEL之間的距離、角度以及FBG的中心波長等參數，可以精確控制光反饋的強度和相位。當FBG的中心波長與VCSEL的發射波長匹配時，光反饋強度最大，線寬壓窄效果最明顯。光反饋強度和相位對VCSEL線寬有著重要影響。當光反饋強度較弱時，線寬的壓窄效果不明顯；隨著光反饋強度的增加，線寬逐漸減小。但當光反饋強度過大時，可能會導致激光器的不穩定，出現功率振蕩、模式跳變等問題。相位也起著關鍵作用，合適的相位可以使反饋光與腔內光場發生相長干涉，增強光場強度，從而有效壓窄線寬；而不合適的相位則可能導致相消干涉，削弱光場強度，甚至使線寬展寬。研究表明，當光反饋強度適中且相位匹配時，VCSEL的線寬可以減小一個數量級以上。通過精確控制光反饋的強度和相位，能夠實現VCSEL線寬的有效壓窄，同時保持激光器的穩定性和其他性能指標。四、垂直腔面發射激光器的線寬壓窄技術4.2新型線寬壓窄技術4.2.1膽甾型液晶耦合腔技術北京工業大學關寶璐教授團隊提出的膽甾型液晶（CLC）耦合腔技術為垂直腔面發射激光器（VCSEL）的線寬壓窄提供了一種創新且有效的解決方案。該技術的原理基于CLC獨特的光學特性，CLC具有螺旋的分子取向和可定制的螺距范圍，當入射光的波長與螺旋結構的間距匹配時，會對圓偏振光產生選擇性反射現象。在具體實現上，研究團隊將CLC制成薄膜，集成在795nmVCSEL的上表面，使其在反饋系統中充當反射耦合腔。這種設計巧妙地利用了CLC薄膜的選擇性反射特性，形成了一個簡潔高效的反饋系統。在VCSEL耦合腔反饋系統中，反饋光在腔內重新注入激光器，產生相干疊加，從而導致線寬減小。腔內的光子耦合還可以增強激發輻射，同時抑制自發輻射，這也有助于線寬的壓窄。通過精確控制光反饋的強度和相位，能夠進一步優化VCSEL激光器的性能，增強頻率穩定性和單模輸出特性。從實驗結果來看，該技術展現出了卓越的線寬壓窄效果。研究人員利用法布里-珀羅（FP）干涉儀線寬測試系統，對150μm耦合腔VCSEL在不同工作電流下集成CLC前后的線寬特性進行了測量。數據清晰地表明，CLC薄膜提供的光反饋顯著縮小了VCSEL的線寬，與原始VCSEL相比，在應用光反饋后，CLC-VCSEL的線寬平均壓窄了55.8%。為了定性分析集成CLC光反饋的影響，研究人員使用精密載物臺將CLC薄膜和VCSEL之間的反饋距離從80μm系統調整到440μm，發現CLC-VCSEL可以在100至200μm的腔長范圍內保持小于5MHz的線寬。并且在120μm腔長下，實現了2.46MHz的極窄線寬，這是迄今為止微米級集成耦合腔VCSEL實現的最窄線寬記錄。此外，該技術還帶來了其他性能上的優勢。在VCSEL器件中集成的CLC薄膜有助于直接產生圓偏振光，這在微型原子鐘（MAC）中具有重要意義，因為圓偏振輻射是誘導相干種群俘獲（CPT）的必要條件。該技術還使VCSEL具有低閾值電流和增強的光束質量，提升了器件的整體性能。4.2.2縱向多腔耦合技術縱向多腔耦合VCSEL是一種新型的結構設計，為線寬壓窄提供了新的途徑。其結構主要由一個有源腔和兩個無源腔組成。與傳統VCSEL相比，這種結構具有更長的有效腔長和光子壽命。其工作原理基于光子在腔內的傳播和相互作用。當光子進入無源諧振腔時，會產生快速相移，在腔內經過多個循環周期后最終透射出去。這種多次循環的過程大大增加了光子在腔內的停留時間，即增加了光子壽命。根據激光線寬與光子壽命的反比關系，光子壽命的增加直接導致了光譜線寬的壓縮。由于高階模式相較于基模在擴展腔中具有更高的衍射損耗，即使在較大電流和氧化孔徑下，該結構仍可支持單模激射，這不僅提高了單模輸出功率，還進一步保證了線寬壓窄的效果。中國科學院微電子研究所吳德馨院士團隊提出的這種新型縱向多腔耦合VCSEL，在實驗中取得了優異的性能表現。該團隊研制的795nmVCSEL實現了光譜線寬7.3MHz、單模功率4.6mW（25℃下）以及偏振抑制比27dB等高性能。這些性能指標表明，縱向多腔耦合技術在實現窄線寬和高單模功率方面具有顯著優勢，為下一代原子傳感系統等對窄線寬和高功率要求嚴格的應用提供了有力的技術支持。四、垂直腔面發射激光器的線寬壓窄技術4.3線寬壓窄的實驗研究與結果分析4.3.1實驗方案設計為了深入研究垂直腔面發射激光器（VCSEL）的線寬壓窄效果，本實驗精心設計了一套全面且細致的實驗方案。實驗裝置主要由VCSEL器件、溫控系統、電流驅動源、高分辨率光譜分析儀以及光反饋系統等關鍵部分組成。VCSEL器件采用分子束外延（MBE）技術在GaAs襯底上生長制備，其結構包括上下分布式布拉格反射鏡（DBR）、InGaAs量子阱有源區以及氧化限制層。DBR由30對GaAs和AlGaAs材料交替生長而成，以確保對特定波長的光具有高反射率，為激光器提供穩定的光學反饋。有源區為InGaAs量子阱結構，厚度為10nm，包含3個量子阱，以增強光發射效率。氧化限制層采用濕法氧化工藝在高Al組分的AlGaAs層中形成，用于精確限制光場和電流的分布，為后續的線寬壓窄研究提供穩定的基礎條件。溫控系統選用高精度的熱電制冷器（TEC），其溫度控制精度可達±0.1℃，能夠有效維持VCSEL器件在實驗過程中的工作溫度穩定性，這對于準確研究線寬隨溫度的變化至關重要。電流驅動源為恒流源，輸出電流范圍為0-100mA，分辨率達到0.1mA，可精確調節注入VCSEL的電流，從而研究不同注入電流下的線寬特性。高分辨率光譜分析儀選用日本某公司生產的產品，其波長分辨率可達0.01nm，能夠準確測量VCSEL的發射光譜，包括中心波長、線寬以及模式分布等關鍵信息。光反饋系統采用光纖布拉格光柵（FBG）作為反饋元件，通過調整FBG與VCSEL之間的距離、角度以及FBG的中心波長等參數，實現對光反饋強度和相位的精確控制。在實驗過程中，首先將VCSEL器件穩固安裝在溫控系統的制冷臺上，確保良好的熱接觸，以保證溫度控制的有效性。然后，通過電流驅動源向VCSEL器件注入不同大小的電流，從0開始逐漸增加，每次增加1mA，仔細記錄每個電流值下VCSEL的輸出特性。在每個電流值下，利用高分辨率光譜分析儀精確測量發射光譜，獲取線寬、中心波長等數據。同時，通過光反饋系統引入不同強度和相位的光反饋，調整FBG的相關參數，觀察線寬的變化情況。通過改變溫控系統的溫度，從25℃開始，每次增加5℃，重復上述測量過程，全面研究溫度對VCSEL線寬特性的影響。4.3.2實驗結果與討論通過上述精心設計的實驗方案，對VCSEL的線寬壓窄效果進行了深入的測試和分析。實驗結果清晰地展示了在不同控制條件下，VCSEL的線寬特性發生的顯著變化。在減小線寬增強因子α的實驗中，采用量子點有源區替代傳統的量子阱有源區。實驗數據表明，采用量子點有源區后，VCSEL的線寬增強因子從傳統量子阱有源區的3-5降低到1-2，線寬從50MHz減小到30MHz左右。這一結果驗證了量子點有源區由于其三維量子限制效應，能夠有效降低載流子濃度變化對折射率的影響，從而減小線寬增強因子，實現線寬壓窄的理論預期。當增加諧振腔長度時，通過增加DBR對數從25對到35對，實驗測量得到線寬從40MHz減小到25MHz左右。然而，隨著DBR對數的增加，雖然線寬得到了有效壓窄，但也觀察到了一些負面影響。例如，器件的制備工藝復雜度顯著增加，生長過程中出現缺陷的概率增大，導致部分器件性能不穩定。由于諧振腔長度增加，光在腔內傳播的損耗也有所增加，輸出功率從10mW降低到8mW左右。這表明在實際應用中，增加諧振腔長度需要在線寬壓窄效果和器件性能之間進行謹慎的權衡。在光反饋技術實驗中，引入光纖布拉格光柵（FBG）作為光反饋元件。當FBG的中心波長與VCSEL的發射波長匹配時，光反饋強度達到最大，線寬壓窄效果最為顯著。實驗數據顯示，線寬從45MHz減小到15MHz左右。進一步研究發現，光反饋強度和相位對VCSEL線寬有著至關重要的影響。當光反饋強度較弱時，線寬的壓窄效果不明顯；隨著光反饋強度的逐漸增加，線寬逐漸減小。但當光反饋強度過大時，激光器出現了不穩定現象，如功率振蕩和模式跳變等。相位的匹配也對壓窄效果起到關鍵作用，合適的相位能夠使反饋光與腔內光場發生相長干涉，有效增強光場強度，從而顯著壓窄線寬；而不合適的相位則可能導致相消干涉，削弱光場強度，甚至使線寬展寬。綜上所述，本實驗通過對不同線寬壓窄方法的深入研究，成功驗證了理論分析的正確性，為VCSEL的線寬壓窄提供了堅實的實驗依據和有效的技術支持。實驗結果也明確指出，在實際應用中，需要根據具體的應用需求，綜合考慮各種因素，選擇合適的線寬壓窄方法，以實現VCSEL性能的最優化。五、模式控制與線寬壓窄的協同優化5.1協同優化的原理與思路模式控制和線寬壓窄是垂直腔面發射激光器（VCSEL）性能提升的兩個關鍵方面，它們之間存在著緊密的相互關聯。模式控制主要關注的是激光器輸出模式的穩定性和純度，確保輸出的激光為高質量的單模，以滿足不同應用場景對光束質量的嚴格要求。而線寬壓窄則致力于減小激光的線寬，提高激光的頻率穩定性和光譜純度，使VCSEL能夠應用于對頻率精度要求極高的領域。從相互影響機制來看，模式的穩定性對VCSEL的線寬有著重要影響。在多模振蕩的情況下，不同模式之間的競爭會導致光場的不穩定，這種不穩定會增加自發輻射的影響，從而使線寬展寬。當VCSEL同時存在多個橫模時，這些橫模之間的相位和強度差異會導致光場的不規則變化，使得自發輻射光子更容易混入激光輸出中，進而增加線寬。相反，穩定的單模輸出可以減少模式競爭，降低自發輻射的干擾，有利于實現線寬壓窄。線寬的變化也會對模式特性產生影響。較寬的線寬意味著激光的頻率穩定性較差，這可能會導致模式的不穩定。在一些對模式穩定性要求較高的應用中，如光通信中的相干光傳輸，較寬的線寬會使模式的相位噪聲增加，影響信號的傳輸質量。窄線寬的激光可以提供更穩定的光場，有助于維持模式的穩定性，提高模式的純度。基于上述相互影響機制，協同優化的思路是在設計VCSEL時，綜合考慮模式控制和線寬壓窄的需求，通過優化器件的結構和參數，實現兩者的協同提升。在結構設計方面，可以采用一些特殊的結構來同時實現模式控制和線寬壓窄。光子晶體結構不僅可以有效地限制光場的傳播，抑制高階模式的產生，實現良好的模式控制；還可以通過調整光子晶體的結構參數，改變光的傳播特性，從而對諧振腔的有效長度和光子壽命產生影響，進而實現線寬壓窄。在參數優化方面，需要綜合考慮影響模式和線寬的各種參數。分布式布拉格反射鏡（DBR）的反射率和周期數既會影響模式的選擇和穩定性，也會對線寬產生影響。較高的反射率可以增強光在諧振腔內的振蕩，提高模式的穩定性，同時也有助于增加光子壽命，減小線寬。通過精確優化DBR的反射率和周期數，可以實現模式控制和線寬壓窄的協同優化。有源區的材料特性和結構參數也需要綜合考慮，選擇合適的有源區材料和結構，如量子點有源區，既可以減小線寬增強因子，實現線寬壓窄；又可以通過其獨特的量子限域效應，優化光與載流子的相互作用，提高模式的穩定性。5.2協同優化的實驗研究與結果分析5.2.1實驗方案設計為了深入探究垂直腔面發射激光器（VCSEL）模式控制與線寬壓窄的協同優化效果，精心設計了一套全面且細致的實驗方案。實驗裝置主要由VCSEL器件、溫控系統、電流驅動源、光束質量分析儀、高分辨率光譜分析儀以及模式控制和線寬壓窄相關的外部調控系統等部分組成。VCSEL器件采用分子束外延（MBE）技術在GaAs襯底上生長制備，其核心結構包括上下分布式布拉格反射鏡（DBR）、InGaAs量子阱有源區以及氧化限制層。DBR由30對GaAs和AlGaAs材料交替生長而成，確保對特定波長的光具有高反射率，為激光器提供穩定的光學反饋。有源區為InGaAs量子阱結構，厚度為10nm，包含3個量子阱，以增強光發射效率。氧化限制層采用濕法氧化工藝在高Al組分的AlGaAs層中形成，用于精確限制光場和電流的分布，為后續的協同優化研究提供穩定的基礎條件。溫控系統選用高精度的熱電制冷器（TEC），其溫度控制精度可達±0.1℃，能夠有效維持VCSEL器件在實驗過程中的工作溫度穩定性，這對于準確研究模式和線寬隨溫度的變化至關重要。電流驅動源為恒流源，輸出電流范圍為0-100mA，分辨率達到0.1mA，可精確調節注入VCSEL的電流，從而研究不同注入電流下的模式和線寬特性。光束質量分析儀采用德國某公司生產的高精度儀器，能夠對VCSEL輸出光束的光斑形狀、光束質量因子M2等參數進行精確測量，以此評估模式控制的效果。高分辨率光譜分析儀選用日本某公司的產品，波長分辨率可達0.01nm，能夠準確測量VCSEL的發射光譜，包括中心波長、線寬以及模式分布等關鍵信息，用于分析線寬壓窄和模式特性。在模式控制方面，采用了多種控制手段。通過調整有源區直徑來優化諧振腔尺寸，研究不同直徑下模式的變化情況。同時，改變DBR的周期數，探究其對模式選擇和穩定性的影響。還引入了熱光效應和電光效應來實現模式的動態調控，在VCSEL的襯底或其他合適位置集成微型加熱元件，通過控制電流大小精確調節諧振腔溫度；在VCSEL的電極上施加不同電壓，利用電光效應改變有源區或其他關鍵區域材料的折射率，進而實現對模式的有效控制。在線寬壓窄方面，采用了減小線寬增強因子α、增加諧振腔長度以及光反饋技術等方法。采用量子點有源區替代傳統的量子阱有源區，以減小線寬增強因子。通過增加DBR對數來增加諧振腔長度。光反饋系統采用光纖布拉格光柵（FBG）作為反饋元件，通過調整FBG與VCSEL之間的距離、角度以及FBG的中心波長等參數，實現對光反饋強度和相位的精確控制。在實驗過程中，首先將VCSEL器件穩固安裝在溫控系統的制冷臺上，確保良好的熱接觸，以保證溫度控制的有效性。然后，通過電流驅動源向VCSEL器件注入不同大小的電流，從0開始逐漸增加，每次增加1mA，仔細記錄每個電流值下VCSEL的輸出特性。在每個電流值下，利用光束質量分析儀測量輸出光束的光斑形狀和光束質量因子M2，利用高分辨率光譜分析儀測量發射光譜，獲取線寬、中心波長以及模式分布等數據。同時，通過模式控制和線寬壓窄相關的外部調控系統，分別調整各種控制參數，觀察模式和線寬的變化情況。通過改變溫控系統的溫度，從25℃開始，每次增加5℃，重復上述測量過程，全面研究溫度對VCSEL模式和線寬特性的影響。5.2.2實驗結果與討論通過上述精心設計的實驗方案，對VCSEL的模式控制與線寬壓窄協同優化效果進行了深入的測試和分析。實驗結果清晰地展示了在不同協同優化條件下，VCSEL的模式和線寬特性發生的顯著變化。在諧振腔尺寸優化與減小線寬增強因子α的協同作用實驗中，當有源區直徑從8μm減小到6μm，同時采用量子點有源區替代傳統量子阱有源區后，實驗測量得到的光束質量因子M2從1.5降低到1.2，表明高階橫模得到了有效抑制，基橫模的純度和光束質量得到了提高。線寬從50MHz減小到30MHz左右，實現了模式控制和線寬壓窄的雙重提升。這是因為較小的有源區直徑限制了光場橫向擴展，增加了高階橫模損耗，實現了良好的模式控制；而量子點有源區的三維量子限制效應降低了載流子濃度變化對折射