物理学报ActaPlays．Sin．Vo1．64，No．16(201,5)164203多横模垂直腔面发射激光器及其波长特性冰关宝璐十刘欣江孝伟刘储徐晨(北京工业大学，光电子技术省部共建教育部重点实验室，北京100124)(2015年2月9日收到；2015年3月12日收到修改稿)基于氧化限制型内腔接触垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构设计，研究了VCSEL的多横模分布及其模式波长分裂特性与氧化孔径尺寸、形状的关系．在实验基础上，通过建立有效折射率模型，并利用标量亥姆霍兹方程的迭代算法理论，分别对椭圆形氧化孔径和圆形氧化孔径VCSEL的横向模式特性进行模拟研究，计算得到不同形状孔径的多横模光场分布情况，同时测量得到高阶横模多频输出光谱．研究发现，椭圆氧化孔形状不仅影响横模分布特性，还会导致每个模式的波长产生分裂，分裂值可达0．037nm．同时，随着氧化孔径的增大，波长分裂影响会逐渐减小，直至趋近于圆形氧化孔径的分布特性．研究结果为进一步实现氧化限制型VCSEL的多横模锁定提供了有益参考和借鉴．关键词：垂直腔面发射激光器，氧化孔径，横模分布，波长分裂PACS：42．55．Px，42．79．Ag，42．60．FcDOh10．7498／aps．64．1642031引言垂直腔面发射激光器(VCSEL)作为重要的半导体激光器光源之一，对促进信息社会的高速发展和推动高密度、超快光通信技术的形成变得越来越重要．特别是具有短脉冲、高重复频率的横模锁定(mode-locking，ML)VCSEL越来越被人们所研究和关注【l12】．通过锁定VCSELs的单个或多个高阶横模，可以使VCSEL产生皮秒级甚至飞秒级的高重复率激光，并具有相同的模式空间，可以产生类似光学频率梳的输出频谱，广泛应用于集成光通信、全光原子钟以及光测量．但是由于面发射激光器所生长的晶体材料的各向异性，在A1GaAs氧化I~E$fL径形成过程中容易产生不规则形状，直接导致VCSEL的近场模式分布不均匀[3】．特别是为了减小VCSEL激光器阈值电流，人们在设计中往往采取小尺寸氧化孔径的方法【4，引．而氧化孔径较小时，高铝组分AlGaAs层氧化速率的各向异性更为突出，所设计的圆形氧化孔径最终成为椭圆形【6]，从而影响拉格朗日一高斯模式间距分布的形成．因此，为了使横向模式能够更好地锁定，椭圆形氧化孔径VCSEL的横向模式分布以及相邻模式对应波长分裂的研究变得至关重要．目前，已有课题组开展了氧化限制型VCSEL横模特性研究，例如，Li等【7]在实验中观测到了波长分裂的现象；Zhang等【]研究了电光双折射效应对模式分裂的影响，解释了在外加电场下两个正交方向波长的偏移的现象．但这些研究都没有具体考虑氧化孔形状变化带来的影响，特别是对高阶横模的分布以及波长分裂计算方法的研究尚未见报道．传统VCSEL是利用柱坐标系下的多横模速率方程来研究横模场分布【9]．但是这种针对于圆形氧化孔径的计算方法显然已经不再适用于椭圆形氧化孔径波导结构．因此，本文在实验基础上，建立椭圆波导有效折射率模型，并利用Rsoft软件对VCSEL的多横模特性进行模拟分析，最终得到椭圆形氧化孔径多横模近场模式的二维平面分布和氧化孔径横截面的有效折射率分布，并与实验结果进行了对比．国家自然科学基金青年科学基金(批准号：60908012)、北京市教委面上项目(批准号：KM2O10l00O5030)和北京市属高等学校高层次人才引进与培养计划资助的课题．t通信作者．E-mail：gbl@bjut．edu．Crl◎2015中国物理学会ChinesePhysicalSocietytp：／／wulixb．hy．ac．cn物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．64，No．16(2015)1642034实验结果与分析图7为室温测量得到的椭圆形氧化孔径VC—SEL输出功率和电压随电流变化关系曲线，其中注入电流为5mA，椭圆氧化孔径长轴8m．从图7中可以看出，5mA下VCSEL最高输出光功率为0．72mW，阈值电流为0．2mA，激射中心波长为850．48nm．≥吕图7(网刊彩色)a=8m，b=6m孔径器件的一．P特性曲线Fig．7．(coloronline)I-P—Vcharacteristiccurveina=8mand6=6mellipticaloxideapertureVC—SEL．848．5849．0849．5850．0850．5851．0851．58520波长nm图84mA注入电流下激射光谱Fig．8．Emissionspectrumatabiascurrentof4mA图8为室温下VCSEL的多横模输出光谱．可以看出，当注入电流为4mA时，...
