石 凡，崔永順，趙 環(huán)，王暖讓，方維海，楊仁福，年 豐，馮克明

(1.北京無線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100039;

2.計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100039)

基于偏振測(cè)量的VCSEL激光器閾值行為研究

石 凡1，2，崔永順1，2，趙 環(huán)1，2，王暖讓1，2，方維海1，2，楊仁福1，2，年 豐1，2，馮克明1，2

(1.北京無線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100039;

2.計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100039)

設(shè)計(jì)構(gòu)建了垂直腔面發(fā)射激光器偏振測(cè)試系統(tǒng)，利用該測(cè)試系統(tǒng)研究了激光器不同偏振模式的閾值行為特點(diǎn)。激光器的輸出光隨著驅(qū)動(dòng)電流的增大將會(huì)出現(xiàn)P偏振以及S偏振兩種相互正交的偏振分量，并且兩者具有不同的工作閾值;進(jìn)一步依據(jù)測(cè)得的閾值點(diǎn)將激光器分為三個(gè)工作區(qū)域，通過對(duì)非偏振及偏振測(cè)試結(jié)果的比較分析得出:垂直腔面發(fā)射激光器的非偏振測(cè)量中觀測(cè)到的工作閾值點(diǎn)體現(xiàn)的是P偏振分量的閾值點(diǎn);激光器S偏振分量的閾值需要通過偏振測(cè)量才能明顯觀測(cè)到;P偏振與S偏振分量閾值電流之間的工作區(qū)域具有最好的線偏振度。本文的研究為垂直腔面發(fā)射激光器的未來研制測(cè)試工作和更好應(yīng)用夯實(shí)了基礎(chǔ)。

垂直腔面發(fā)射激光器;偏振測(cè)試系統(tǒng);閾值行為;工作特性

1 引 言

垂直腔面發(fā)射激光器［1－5］(vertical cavity surface emitting laser，VCSEL)是一種基于半導(dǎo)體技術(shù)的小型化激光器，與傳統(tǒng)激光系統(tǒng)相比具有低閾值、單縱模工作、動(dòng)態(tài)調(diào)制頻率高、易實(shí)現(xiàn)二維集成等優(yōu)點(diǎn)，在相干布居囚禁(coherent population trapping)原子頻標(biāo)、光通信、光互聯(lián)、空間技術(shù)、圖像信號(hào)處理等技術(shù)領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用前景［6－13］。

作為光電系統(tǒng)中的激光源，VCSEL激光器工作特性的優(yōu)劣影響著系統(tǒng)的性能。對(duì)于一個(gè)激光器來說，閾值行為是其最基本的工作特性，并且在不同的偏振配置下激光器可能會(huì)展現(xiàn)出不同的行為特性，這些特性直接決定了整體光電系統(tǒng)的研制測(cè)試方案以及所能達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)。因此，無論在科學(xué)研究還是實(shí)際工程應(yīng)用中，把握偏振測(cè)量條件下VCSEL激光器的閾值行為并理解其體現(xiàn)的內(nèi)在機(jī)制能夠直接為相關(guān)光電系統(tǒng)的研制開發(fā)提供非常重要的技術(shù)支持和理論制導(dǎo)，擁有不可替代的核心作用。我們?cè)O(shè)計(jì)并構(gòu)建了VCSEL激光器偏振測(cè)試系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)測(cè)試研究了非偏振和偏振測(cè)量配置下VCSEL激光器不同偏振模式的閾值行為，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了進(jìn)一步比較分析，討論了VCSEL激光器在不同工作區(qū)域內(nèi)的特征，為VCSEL激光器未來的研制測(cè)試工作以及在工程領(lǐng)域的更好應(yīng)用夯實(shí)了基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)配置

實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)配置如圖1所示，選用的VCSEL激光器的中心波長(zhǎng)為795 nm，輸出光束形狀為錐形光。首先，利用基于FPGA的驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)使VCSEL激光器進(jìn)入工作狀態(tài)，系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電流可以在0～3 mA之間連續(xù)調(diào)諧。進(jìn)一步通過電壓電流檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量并記錄VCSEL激光器的實(shí)際工作電流以及工作電壓，可以由該檢測(cè)系統(tǒng)得到VCSEL激光器的電壓－電流(V－I)變化趨勢(shì)。

VCSEL激光器的輸出光束通過一個(gè)準(zhǔn)直透鏡形成準(zhǔn)直光束，隨后，通過操作復(fù)位鏡使準(zhǔn)直光束發(fā)生反射行為或是直行通過，當(dāng)復(fù)位鏡處于直立狀態(tài)時(shí)，圖1中的有效實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)為長(zhǎng)虛線框Ⅰ內(nèi)所示裝置，實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)為非偏振測(cè)量配置，準(zhǔn)直光束經(jīng)過復(fù)位鏡反射后由聚焦透鏡聚焦至光電探測(cè)器上，由光電探測(cè)器直接測(cè)量得到VCSEL激光器的總輸出光功率，調(diào)整驅(qū)動(dòng)電流可以得到VCSEL激光器的總輸出光功率隨驅(qū)動(dòng)電流的變化趨勢(shì);當(dāng)復(fù)位鏡處于放倒?fàn)顟B(tài)時(shí)，圖1中的有效實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)為短虛線框Ⅱ內(nèi)所示裝置，實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)為偏振測(cè)量配置，此時(shí)利用偏振分光棱鏡(Polarization beam splitting prism，PBS)將準(zhǔn)直光束中相互正交的P偏振光和S偏振光彼此分開，進(jìn)一步通過兩組由聚焦透鏡和光電探測(cè)器構(gòu)成的光功率測(cè)量裝置分別對(duì)P和S偏振模式的光功率隨驅(qū)動(dòng)電流的變化趨勢(shì)進(jìn)行測(cè)量。

圖1 VCSEL激光器測(cè)試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)配置(長(zhǎng)虛線框Ⅰ內(nèi)所示實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)為非偏振測(cè)量配置;短虛線框Ⅱ內(nèi)所示為實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)為偏振測(cè)量配置)

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 VCSEL激光器非偏振測(cè)試結(jié)果

首先利用圖1中框Ⅰ內(nèi)所示的裝置測(cè)試VCSEL激光器的輸出總功率隨驅(qū)動(dòng)電流的變化趨勢(shì)以及V－I曲線。圖2中所示為VCSEL激光器輸出總功率隨驅(qū)動(dòng)電流的變化趨勢(shì)，由測(cè)量結(jié)果可以看出，當(dāng)注入電流從0 mA開始逐漸增加時(shí)，VCSEL激光器的輸出光在開始時(shí)并無法觀測(cè)到;當(dāng)注入電流增加到約0.5 mA后，輸出光總功率急劇增加，這個(gè)電流稱為閾值電流，用Ith表示;在驅(qū)動(dòng)電流繼續(xù)增大時(shí)，輸出光總功率增速將會(huì)放緩。圖3中所示為VCSEL激光器的工作電壓與驅(qū)動(dòng)電流之間的變化關(guān)系，結(jié)果顯示VCSEL激光器的端電壓V隨注入電流I的增加而迅速上升，然后趨于緩和平穩(wěn)。

圖2 VCSEL激光器輸出總功率隨驅(qū)動(dòng)電流的變化趨勢(shì)

圖3 VCSEL激光器的工作電壓隨驅(qū)動(dòng)電流的變化趨勢(shì)

3.2 VCSEL激光器偏振測(cè)試及比較分析

采用圖1中框Ⅱ內(nèi)所示裝置對(duì)VCSEL激光器進(jìn)行偏振測(cè)試，并結(jié)合非偏振測(cè)試結(jié)果比較分析S和P偏振分量的工作特性。兩個(gè)偏振分量的輸出光功率隨驅(qū)動(dòng)電流的變化趨勢(shì)如圖4所示。可以看出，VCSEL激光器的輸出光隨著驅(qū)動(dòng)電流的增大將會(huì)出現(xiàn)P偏振分量和S偏振分量?jī)煞N相互正交的偏振光，并且具有不同的工作閾值。隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加，P偏振分量首先達(dá)到閾值點(diǎn)，閾值約為0.5 mA，當(dāng)超過閾值點(diǎn)后，其光輸出功率隨電流的增長(zhǎng)而快速上升，隨后慢慢趨于平穩(wěn);當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到約1.7 mA時(shí)，S偏振分量達(dá)到閾值，超過閾值點(diǎn)后光輸出功率迅速增大，隨后趨于平穩(wěn)。雖然P偏振分量與S偏振分量的輸出功率隨驅(qū)動(dòng)電流的變化趨勢(shì)很類似，但是其工作閾值點(diǎn)具有明顯差異。通過圖2中曲線可以知道VCSEL激光器整體輸出光的工作閾值為0.5 mA，與P偏振分量的閾值基本一致。這個(gè)現(xiàn)象說明，圖1中所示的閾值點(diǎn)實(shí)際上體現(xiàn)的是P偏振分量的閾值點(diǎn)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流加大到該點(diǎn)后首先出現(xiàn)的是P偏振光而并無S偏振分量，必須在更大的電流激勵(lì)下S偏振分量才會(huì)出現(xiàn)。通過比較還可以發(fā)現(xiàn)，如果不采取圖1中框Ⅱ所示的偏振測(cè)量方式，而僅通過框Ⅰ所示的非偏振測(cè)量系統(tǒng)得到的變化趨勢(shì)圖將很難觀測(cè)到S偏振光的閾值行為特點(diǎn)和相應(yīng)的功率隨驅(qū)動(dòng)電流的變化趨勢(shì)。

圖4 P與S偏振分量的輸出功率隨驅(qū)動(dòng)電流的變化趨勢(shì)

根據(jù)偏振測(cè)量得到的VCSEL激光器的閾值行為特性，可以進(jìn)一步針對(duì)VCSEL激光器工作電流在實(shí)際使用中的選擇進(jìn)行分析。為了后續(xù)討論的清晰明確，我們將圖4中所示的測(cè)試結(jié)果以P偏振分量和S偏振分量的閾值點(diǎn)Ith(P)和閾值點(diǎn)Ith(S)為參考點(diǎn)，把整個(gè)變化趨勢(shì)圖按照驅(qū)動(dòng)電流由弱至強(qiáng)的變化依次劃分為(a)、(b)、(c)三個(gè)工作區(qū)域。其中，工作區(qū)域(a)指的是0 mA～I(xiàn)th(P)之間的部分，在該工作區(qū)域內(nèi)，雖然VCSEL激光器的端電壓將會(huì)隨著驅(qū)動(dòng)電流有所變化，但是任何一種偏振形式的光都無法產(chǎn)生，VCSEL激光器處于不工作的狀態(tài)。(b)區(qū)域?yàn)镮th(P)～I(xiàn)th(S)之間的區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，P偏振光達(dá)到工作閾值電流，進(jìn)入工作狀態(tài)，而S偏振光尚未開啟，此時(shí)VCSEL激光器的出射光為線偏振光。在實(shí)際使用過程中，在需要提供質(zhì)量較好的線偏振光時(shí)，則必須使VCSEL激光器工作于(b)工作區(qū)域。(c)區(qū)域?yàn)镮th(S)以上的區(qū)域，在進(jìn)入該區(qū)域后，由于VCSEL激光器的兩種相互正交的偏振光同時(shí)處于開啟的狀態(tài)，所以使得整體輸出光慢慢偏離線偏振態(tài)，并且兩個(gè)正交分量之比隨著工作電流改變，線偏度隨工作電流的增大而減小。但是，在另一方面，VCSEL激光器在該工作區(qū)域內(nèi)具有比其他區(qū)域更強(qiáng)的輸出功率，可以為光電系統(tǒng)提供更高的輸出光強(qiáng)度。因此，對(duì)于光通信、新型原子頻標(biāo)、光電集成等對(duì)偏振度及光輸出功率有明顯依賴的研究領(lǐng)域，必須在研制測(cè)試和使用中根據(jù)偏振測(cè)量得到的VCSEL激光器閾值行為特性選擇合適的工作區(qū)域，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)和提升光電系統(tǒng)性能指標(biāo)的目的。

4 總結(jié)

設(shè)計(jì)構(gòu)建了VCSEL激光器偏振測(cè)試系統(tǒng)，并利用該測(cè)試系統(tǒng)研究了VCSEL激光器的工作特性和不同偏振模式的閾值行為。VCSEL激光器的輸出光隨著驅(qū)動(dòng)電流的增大將會(huì)出現(xiàn)S偏振和P偏振兩種相互正交的偏振分量，并且兩者具有不同的工作閾值Ith(P)和Ith(S)，分別約為0.5 mA和1.7 mA。根據(jù)閾值點(diǎn)Ith(P)和Ith(S)可以將VCSEL激光器分為三個(gè)工作區(qū)域，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較分析可以得到:VCSEL激光器的非偏振測(cè)量中得到的工作閾值點(diǎn)Ith實(shí)際體現(xiàn)的是P偏振分量的閾值點(diǎn)Ith(P);對(duì)比分析VCSEL激光器的偏振與非偏振測(cè)量，結(jié)果表明非偏振測(cè)量無法明顯觀測(cè)到S偏振分量的閾值，必須通過偏振測(cè)量才能明顯觀測(cè)到其閾值行為;此外，P偏振與S偏振分量閾值電流之間的工作區(qū)域具有最好的線偏振度，因此，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求選擇最適合的驅(qū)動(dòng)電流。本文的研究?jī)?nèi)容可以應(yīng)用在VCSEL激光器的研發(fā)測(cè)試以及光通信、新型原子頻標(biāo)、空間技術(shù)、光互聯(lián)和光電集成等需要使用VESEL激光器、并對(duì)其光偏振依賴性很強(qiáng)的研究領(lǐng)域，為VCSEL激光器未來的研制測(cè)試工作和的更好應(yīng)用夯實(shí)了基礎(chǔ)。

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Study on the threshold behavior of a VCSEL based on polarization test system

SHIFan1，2，CUIYong-shun1，2，ZHAO Huan1，2WANG Nuan-rang1，2，F(xiàn)ANGWei-hai1，2，YANG Ren-fu1，2，NIAN Feng1，2，F(xiàn)ENG Ke-ming1，2
(1.Beijing Institute of Radio Metrology＆Measurement，Beijing 100039，China;
2.Science and Technology on Metrology and Calibration Laboratory，Beijing 100039，China)

The polarization test system for a vertical cavity surface emitting laser(VCSEL)is designed.With this test system，the threshold behaviors of VCSEL are studied.With the increase of driven current，two orthogonal polarization states are observed and their thresholds are different.According to the thresholds，theworking region of the laser is divided into three parts.The analysis based on the non-polarization and polarization experimental results show that the threshold of the experimental curve from the non-polarizationmeasurements is the threshold of P-polarized light;the threshold of the S-polarized lightof the laser is observed obviously with polarizationmeasurements;In theworking region between the thresholds of P-polarized and S-polarized light，the degree of the linear polarization is higher than other working regions.The studies of this paper set the steady basis for further researches，test，and applications of a vertical cavity surface emitting laser.

vertical cavity surface emitting laser;polarization test system;threshold behavior;working characteristic

TN248

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2014.04.00 6

1001-5078(2014)04-0378-04

石 凡(1984－)，男，工程師，博士，主要從事非線性光學(xué)及光電技術(shù)研究。E-mail:shifan_chinese@sina.com

2013-08-26

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