垂直腔面发射激光器的模式与线宽优化：技术探索与创新突破

垂直腔面发射激光器的模式与线宽优化：技术探索与创新突破一、引言1.1研究背景与意义垂直腔面发射激光器（Vertical-CavitySurface-EmittingLaser，VCSEL）作为一种新型半导体激光器，自问世以来便凭借其独特的结构和性能优势，在众多领域展现出巨大的应用潜力。与传统的边发射激光器不同，VCSEL的激光出射方向垂直于衬底表面，这种结构使其具有一系列显著特点。例如，它能够获得圆形光斑，光束质量好，在光通信、光存储、激光显示、照明以及3D传感等领域得到了广泛应用。在光通信领域，VCSEL是实现高速、短距离数据传输的关键器件，随着5G通信技术和数据中心的快速发展，对高速、低功耗的光通信器件需求日益增长，VCSEL因其高调制速率、低阈值电流以及易于二维阵列集成等特性，成为满足这些需求的理想选择，像在数据中心的短距离光互连中，VCSEL发挥着重要作用，有效提升了数据传输效率。在3D传感领域，VCSEL作为光源，为智能手机、自动驾驶、安防监控等设备提供了高精度的距离测量和三维成像功能，极大地推动了相关技术的发展和应用。然而，VCSEL在实际应用中仍面临一些挑战，其中模式控制和线宽压窄是影响其性能提升和应用拓展的关键问题。模式控制对于VCSEL至关重要，它直接关系到激光器的光束质量、稳定性和应用效果。在许多应用场景中，如光通信中的高速数据传输，需要VCSEL输出稳定的单模激光，以确保信号的高质量传输和低误码率；在激光显示领域，单模输出的VCSEL能够提供更纯净的色彩和更高的亮度均匀性，提升显示效果。如果VCSEL工作在多模状态，不同模式之间的竞争会导致输出光的强度和相位不稳定，从而降低光束质量，影响其在这些领域的应用性能。线宽也是衡量VCSEL性能的重要指标之一。较宽的线宽会限制VCSEL在一些对频率稳定性和光谱纯度要求较高的领域的应用，如精密测量、高分辨率光谱学和量子通信等。在精密测量中，需要极窄线宽的激光源来提高测量的精度和分辨率；在量子通信领域，窄线宽的VCSEL有助于实现更稳定的量子态传输和更低的误码率。传统的VCSEL由于其短腔结构，本征线宽较宽（通常在50-100MHz），这在很大程度上限制了其在这些高端领域的应用。因此，深入研究VCSEL的模式控制及线宽压窄技术具有重要的现实意义。通过有效的模式控制，可以提高VCSEL的光束质量和稳定性，满足不同应用场景对光束特性的严格要求，进一步拓展其在光通信、激光加工、生物医学等领域的应用范围；实现线宽压窄则能够使VCSEL进入对频率稳定性要求极高的应用领域，如原子钟、量子计算等，为这些前沿科技的发展提供关键的光电器件支持。对VCSEL模式控制和线宽压窄的研究，不仅有助于提升VCSEL自身的性能和应用价值，还将推动相关产业的技术升级和创新发展，具有广阔的市场前景和重要的科学研究价值。1.2国内外研究现状1.2.1模式控制研究现状在VCSEL模式控制方面，国内外研究取得了丰硕的成果。国外研究起步较早，许多知名科研机构和高校在该领域开展了深入研究。美国加州大学伯克利分校的研究团队通过优化VCSEL的谐振腔结构，采用分布式布拉格反射镜（DBR）与微透镜阵列相结合的方式，有效控制了激光的模式。他们的研究表明，这种结构能够增强对高阶模式的抑制，提高基模的稳定性和光束质量，实现了高功率单模输出。德国乌尔姆大学则专注于研究氧化物限制型VCSEL的模式特性，通过精确控制氧化孔径的大小和形状，调节光场和电流的分布，从而实现了对模式的有效控制，降低了阈值电流，提高了器件的效率。国内的研究也取得了显著进展。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所揭示了一种新型金属介质薄膜模式滤波器结构，这种结构可以灵活调节垂直腔面发射激光器中的横向模式，展示了金属孔径在增强VCSEL模式控制方面的潜力。仿真结果表明，该结构的模态控制性能受到P-DBR对数、金属孔径大小和氧化物孔径大小的显著影响，通过平衡不同模式之间的光学增益差异和基本模式的光学增益，确定了最佳结构参数，提高了单模稳定性和斜率效率。清华大学深圳国际研究生院和深圳博升光电科技有限公司常瑞华院士团队提出了一种基于啁啾高对比度超结构（chirpedHCM）的单横模VCSEL设计。通过在chirpedHCM反射镜中引入横向渐变的反射率，使其能够与激光的基模强度分布更好地匹配，从而有效抑制高阶模式，最终实现高质量、稳定的单横模激光输出。该设计与传统多层分布式布拉格反射镜相比，不仅具备优异性能，而且简化了制造工艺，适合量产。然而，现有研究仍存在一些不足之处。一方面，部分模式控制方法虽然能够有效抑制高阶模式，但往往伴随着器件结构的复杂化和制备工艺难度的增加，这不仅提高了生产成本，还限制了器件的大规模生产和应用。另一方面，在高功率输出条件下，模式的稳定性仍然是一个挑战，如何在保证高功率输出的同时，维持稳定的单模工作状态，是亟待解决的问题。此外，对于不同应用场景下的VCSEL模式控制需求，目前还缺乏针对性强、通用性好的解决方案。1.2.2线宽压窄研究现状在VCSEL线宽压窄研究方面，国内外同样进行了大量的探索。国外一些研究团队采用外腔反馈技术来压窄VCSEL的线宽。例如，日本的科研人员将VCSEL与光纤布拉格光栅（FBG）相结合，利用FBG的窄带滤波特性，引入外部光反馈，实现了线宽的显著压窄。这种方法能够有效增加谐振腔的等效长度，减小线宽，但外腔结构复杂，体积较大，不利于器件的集成化和小型化。美国的研究人员则通过优化VCSEL的有源区材料和结构，减小线宽增强因子，从而实现线宽压窄。他们采用量子点有源区替代传统的量子阱有源区，利用量子点的三维限制特性，降低了载流子的扩散和复合，减小了线宽增强因子，使线宽得到了一定程度的压缩。国内在VCSEL线宽压窄研究方面也取得了重要突破。北京工业大学关宝璐教授团队提出了一种胆甾型液晶（CLC）耦合腔VCSEL的创新解决方案，依靠腔内弱光反馈耦合效应，使光子产生相干叠加并显著压窄VCSEL的线宽，实现了2.46MHz的线宽输出，这是目前报道的线宽最窄、体积最小的微米集成VCSEL。该方法利用CLC薄膜的选择性反射特性，将其集成在VCSEL上表面，形成反馈系统，通过精确控制光反馈的强度和相位，不仅显著减小了线宽，还提升了VCSEL的光束质量和频率稳定性。潍坊先进光电芯片研究院发明了一种正弦光栅耦合非周期DBR扩展腔的垂直腔面发射激光器，在传统氧化物限制型VCSEL中引入非周期性DBR扩展腔和表面正弦光栅耦合结构，压窄线宽，实现偏振调控，非周期DBR扩展腔能够有效增加VCSEL等效腔长，压窄线宽，降低发散角；表面正弦光栅可实现良好的偏振及模式过滤效果，提高VCSEL偏振抑制比和稳定性，同时可降低VCSEL内部的相位噪声及强度噪声。尽管如此，线宽压窄研究仍面临诸多挑战。大多数线宽压窄方法需要重新设计外延结构，涉及复杂的工艺制备或伴随复杂的外腔扩展系统，这增加了器件制备的难度和成本。此外，目前实现的窄线宽VCSEL在功率、效率和稳定性等方面还存在一定的局限性，难以同时满足高性能和小型化的要求。在实际应用中，如何在保证窄线宽的同时，提高VCSEL的综合性能，如输出功率、调制速率等，是未来研究需要重点关注的问题。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容本研究聚焦于垂直腔面发射激光器（VCSEL）的模式控制及线宽压窄，具体内容如下：模式控制原理与方法研究：深入剖析VCSEL的模式形成机制，从理论层面探究不同结构参数（如谐振腔长度、DBR反射镜的反射率和周期数、有源区的厚度和材料特性等）对模式特性（包括模式数量、模式分布、模式竞争等）的影响规律。基于这些理论分析，探索新型的模式控制方法，如通过优化器件的几何结构，设计特殊的光场限制结构或引入新型的光学材料，来实现对模式的有效调控。例如，研究采用光子晶体结构来限制光场的传播，抑制高阶模式的产生，提高基模的稳定性和纯度。线宽压窄原理与方法研究：系统研究VCSEL线宽展宽的物理根源，包括增益介质的特性（如载流子的复合过程、线宽增强因子等）、谐振腔的结构和损耗等因素对线宽的影响。在此基础上，研究新的线宽压窄技术，如利用光反馈技术，通过在VCSEL外部引入合适的反馈元件（如光纤布拉格光栅、微纳结构反射镜等），精确控制反馈光的强度、相位和频率，实现线宽的显著压窄；或者探索基于新型有源区材料（如量子点、量子阱与量子点混合结构等）的VCSEL设计，利用这些材料独特的光学和电学性质，减小线宽增强因子，从而达到压窄线宽的目的。模式控制与线宽压窄的协同优化：考虑到模式控制和线宽压窄在实际应用中往往相互关联，研究如何在实现高效模式控制的同时，实现线宽的有效压窄，以提升VCSEL的综合性能。分析不同模式控制方法和线宽压窄技术之间的相互作用和影响，寻找最佳的协同优化方案。例如，在采用某种模式控制结构时，研究如何调整线宽压窄措施，以避免对模式稳定性产生负面影响，同时确保线宽达到预期的压窄效果。实验验证与性能评估：根据理论研究和数值模拟的结果，设计并制备具有特定模式控制和线宽压窄结构的VCSEL器件。利用先进的实验测试设备和技术，对制备的器件进行全面的性能测试，包括模式特性（如模式分辨、模式纯度、光束质量等）、线宽特性（如线宽测量、线宽随工作电流和温度的变化等）、输出功率、阈值电流、效率等参数的测量。将实验结果与理论分析和数值模拟结果进行对比，验证理论模型的正确性和所提出方法的有效性，评估器件的性能是否满足预期的应用要求。1.3.2研究方法为实现上述研究内容，本研究将综合运用理论分析、数值模拟和实验研究等多种方法：理论分析：运用经典的激光物理理论，如速率方程理论、波动光学理论等，建立VCSEL的理论模型，分析模式控制和线宽压窄的物理机制。通过数学推导和理论计算，得到模式特性和线宽与器件结构参数、材料参数之间的定量关系，为后续的数值模拟和实验研究提供理论基础和指导。数值模拟：利用专业的数值模拟软件，如COMSOLMultiphysics、FDTDSolutions等，对VCSEL的光场分布、模式特性、线宽特性等进行数值模拟。通过建立精确的器件模型，模拟不同结构参数和工作条件下VCSEL的性能，预测模式控制和线宽压窄方法的效果。数值模拟可以快速、直观地展示各种因素对VCSEL性能的影响，帮助优化器件设计，减少实验次数和成本。实验研究：搭建完善的实验平台，进行VCSEL器件的制备和性能测试。在器件制备过程中，采用先进的半导体工艺技术，如分子束外延（MBE）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）等，精确控制材料的生长和器件的结构。利用光谱分析仪、光束质量分析仪、光功率计等实验设备，对制备的VCSEL器件进行全面的性能测试和分析。通过实验研究，验证理论分析和数值模拟的结果，解决实际应用中出现的问题，进一步优化器件性能。二、垂直腔面发射激光器基础理论2.1VCSEL的结构与工作原理垂直腔面发射激光器（VCSEL）的基本结构主要由上下分布式布拉格反射镜（DistributedBraggReflector，DBR）、有源区以及电极等部分组成。DBR是VCSEL的关键组成部分，它由两种具有不同折射率的材料交替生长而成，每层材料的厚度通常为四分之一波长。以常见的GaAs/AlGaAs材料体系为例，通过精确控制GaAs和AlGaAs两种材料的生长层数和厚度，形成DBR结构。这种结构利用不同材料界面处的光学反射特性，对特定波长的光产生高反射率，一般可达到99%以上。DBR的作用类似于一个光学滤波器，只允许特定波长范围的光在其中多次反射，从而形成稳定的光振荡，抑制其他波长的光输出，为激光器提供精确的波长选择和光学反馈。有源区是VCSEL实现光发射的核心区域，通常位于上下DBR之间。它一般由量子阱（QuantumWells，QWs）或量子点（QuantumDots，QDs）结构组成。以量子阱结构为例，在GaAs衬底上生长InGaAs量子阱，通过量子限制效应，将电子和空穴限制在量子阱中，增加它们的复合概率，从而提高光发射效率。当有源区注入电流时，电子和空穴在量子阱中复合，产生光子，实现受激辐射过程。电极则用于为VCSEL提供驱动电流，使有源区实现粒子数反转，从而产生激光。一般分为p型电极和n型电极，分别位于器件的不同位置，通过外部电路施加电压，使电流能够顺利注入有源区。VCSEL的工作原理基于受激辐射和光反馈过程。当在VCSEL的电极上施加正向偏压时，电流注入有源区。在有源区内，电子和空穴在电场作用下被注入到量子阱或量子点中，形成粒子数反转分布。处于激发态的电子与空穴复合，释放出光子，这就是自发辐射过程。自发辐射产生的光子在有源区内传播，其中一部分光子的传播方向与VCSEL的腔轴方向一致，这些光子会在上下DBR之间来回反射。在反射过程中，光子不断与有源区中的电子和空穴相互作用，引发受激辐射，产生更多与入射光子具有相同频率、相位和偏振态的光子，实现光的放大。当光在腔内的增益足以克服各种损耗（如DBR的吸收损耗、散射损耗以及输出耦合损耗等）时，就会形成稳定的激光振荡，并从VCSEL的顶部或底部垂直输出。例如，在一个典型的850nm波长的VCSEL中，当注入电流逐渐增加时，首先观察到的是自发辐射光，其光谱较宽且光强较弱。随着电流进一步增大，达到阈值电流后，受激辐射过程占据主导，激光开始振荡输出，此时光谱变窄，光强急剧增强，输出稳定的850nm波长的激光。这种工作原理使得VCSEL能够实现高效的光发射和精确的波长控制，为其在众多领域的应用奠定了基础。2.2VCSEL的模式理论2.2.1模式的形成与分类在垂直腔面发射激光器（VCSEL）中，模式的形成源于光在谐振腔内的多次反射和干涉。当光在由上下分布式布拉格反射镜（DBR）构成的谐振腔内传播时，满足特定相位条件和边界条件的光会形成稳定的驻波，这些驻波对应的光场分布即为VCSEL的模式。从分类上看，VCSEL的模式主要分为横模和纵模。横模是指在垂直于激光传播方向（即垂直于VCSEL腔轴方向）的横截面上的光场分布模式。基横模（通常记为TEM_{00}模）在横截面上呈现出中心对称的高斯分布，其光强分布集中在中心区域，光斑形状接近圆形，具有最小的发散角和最高的光束质量。而高阶横模则具有更为复杂的光场分布，例如TEM_{10}模在横截面上会出现两个光斑，TEM_{20}模会出现三个光斑等，高阶横模的存在会导致光束质量下降，发散角增大。以850nm波长的VCSEL为例，在一些未经过特殊模式控制的器件中，当注入电流较低时，可能以基横模输出，光斑呈现出规则的圆形；但随着注入电流的增加，高阶横模开始出现，光斑会变得不规则，出现多个强度峰值，这会严重影响VCSEL在一些对光束质量要求较高的应用中的性能。纵模则是指沿着激光传播方向（即VCSEL腔轴方向）的光场分布模式。VCSEL的谐振腔长度通常在微米量级，相对较短。根据谐振腔的驻波条件，纵模的频率间隔较大，这使得VCSEL在一般情况下更容易实现单纵模输出。纵模的频率可以表示为v_{q}=q\frac{c}{2nL}，其中q为纵模序数，c为真空中的光速，n为谐振腔内介质的折射率，L为谐振腔长度。由于VCSEL的腔长L较短，不同纵模之间的频率间隔\Deltav=\frac{c}{2nL}较大，当增益谱宽度有限时，往往只有一个纵模能够满足阈值条件，从而实现单纵模振荡。例如，在一个典型的980nmVCSEL中，谐振腔长度为1μm，介质折射率为3.5，计算可得纵模间隔约为43GHz，而一般VCSEL的增益谱宽度在几十GHz左右，因此很容易实现单纵模输出。2.2.2影响模式的因素谐振腔尺寸是影响VCSEL模式的重要因素之一。谐振腔的长度直接决定了纵模的频率间隔，如前文所述，腔长越短，纵模间隔越大，越有利于实现单纵模输出。当VCSEL的谐振腔长度从1μm增加到2μm时，纵模间隔会从43GHz减小到21.5GHz，此时就更容易出现多个纵模同时振荡的情况。谐振腔的横向尺寸（如圆形VCSEL的有源区直径或方形VCSEL的边长）对横模有显著影响。较小的横向尺寸会限制光场的横向扩展，有利于抑制高阶横模，实现基横模输出。当有源区直径从10μm减小到5μm时，高阶横模的损耗会增加，基横模的稳定性增强，更易获得高质量的基横模输出。折射率分布也对VCSEL的模式产生重要影响。DBR的折射率对比度决定了其对光的反射能力。较高的折射率对比度可以使DBR对特定波长的光具有更高的反射率，从而增强光在谐振腔内的振荡，提高模式的稳定性。对于一个由GaAs/AlGaAs材料组成的DBR，当AlGaAs中Al的组分增加时，其与GaAs的折射率对比度增大，DBR的反射率可从98%提高到99.5%以上，这有助于更好地限制光场在谐振腔内，实现稳定的模式振荡。有源区与周围材料的折射率差会影响光场在有源区的限制程度。较大的折射率差可以使光场更集中在有源区，提高光与有源区中载流子的相互作用效率，增强模式的增益。在InGaAs量子阱有源区与GaAs势垒层组成的结构中，由于InGaAs的折射率高于GaAs，光场能够有效地被限制在量子阱中，实现高效的光发射。增益介质的特性同样是影响VCSEL模式的关键因素。增益介质的增益谱宽度决定了能够满足振荡条件的纵模数量。较窄的增益谱宽度使得只有少数几个纵模能够获得足够的增益，从而实现单纵模或少数几个纵模振荡。量子点增益介质由于其量子限域效应，具有较窄的增益谱宽度，相比传统的量子阱增益介质，更容易实现单纵模输出。增益介质中的载流子分布不均匀会导致模式的畸变和不稳定。在大电流注入情况下，有源区中可能出现载流子的聚集或耗尽现象，使得增益分布不均匀，从而影响模式的稳定性，导致高阶横模的出现或模式的跳变。2.3VCSEL的线宽理论2.3.1线宽的产生机制垂直腔面发射激光器（VCSEL）的线宽产生是多种物理机制共同作用的结果。从微观层面来看，能级的有限寿命是导致线宽的重要因素之一。根据量子力学的不确定性原理，能级的寿命与能量的不确定性之间存在着密切关系。在VCSEL的有源区中，电子在激发态的寿命是有限的，这使得其能量存在一定的不确定性，进而导致发射光子的频率存在一定的展宽。以InGaAs量子阱有源区为例，电子在激发态的寿命通常在皮秒量级，根据不确定性原理\DeltaE\Deltat\geq\frac{h}{4\pi}（其中\DeltaE为能量不确定性，\Deltat为时间不确定性，h为普朗克常数），可以计算出由于能级有限寿命引起的频率展宽在几十到几百GHz的范围。粒子碰撞也是导致线宽展宽的重要原因。在有源区内，电子与空穴、电子与电子以及电子与晶格振动等粒子之间存在频繁的碰撞。这些碰撞会改变粒子的运动状态和能量分布，使得发射光子的相位发生随机变化，从而导致线宽展宽。当电子与晶格振动碰撞时，晶格振动的能量量子（声子）会与电子相互作用，电子吸收或发射声子，导致其能量和动量发生改变，进而影响光子的发射过程，使线宽展宽。这种由于粒子碰撞引起的线宽展宽通常与温度密切相关，温度升高，粒子的热运动加剧，碰撞频率增加，线宽也会相应增大。热运动同样对VCSEL的线宽产生影响。有源区内的载流子（电子和空穴）在热平衡状态下具有一定的热运动速度分布。由于热运动的随机性，不同载流子发射的光子频率会存在微小差异，这些微小差异的叠加导致了线宽的展宽。根据麦克斯韦-玻尔兹曼分布，载流子的热运动速度与温度的平方根成正比，因此温度升高时，载流子的热运动加剧，线宽展宽效应更加明显。在高温环境下，VCSEL的线宽会显著增加，这对其在一些对温度稳定性要求较高的应用中是一个重要的限制因素。自发辐射是线宽产生的根本物理机制。在VCSEL中，当有源区注入电流实现粒子数反转后，除了受激辐射产生相干光输出外，还存在自发辐射过程。自发辐射是一种随机的过程，其发射的光子具有不同的相位和频率，这些自发辐射光子会叠加在受激辐射产生的激光信号上，导致激光线宽的展宽。根据肖洛-汤斯理论，激光的线宽极限由自发辐射决定，其表达式为\Delta\nu=\frac{\pih\nu_0^2}{P}\frac{\gamma_{sp}}{\tau_{ph}}，其中\Delta\nu为线宽，h为普朗克常数，\nu_0为激光频率，P为输出功率，\gamma_{sp}为自发辐射系数，\tau_{ph}为光子寿命。从这个公式可以看出，输出功率越高，线宽越窄；自发辐射系数越大，线宽越宽。因此，减少自发辐射是实现窄线宽VCSEL的关键之一。2.3.2影响线宽的因素自发辐射对VCSEL线宽有着显著影响。自发辐射系数\gamma_{sp}与有源区的材料特性和结构密切相关。采用量子点有源区的VCSEL，由于量子点的三维量子限制效应，电子和空穴被限制在很小的空间范围内，自发辐射的概率相对较低，从而可以减小线宽。与传统的量子阱有源区相比，量子点有源区的自发辐射系数可降低一个数量级以上，这使得基于量子点的VCSEL能够实现更窄的线宽。自发辐射光子与受激辐射光子的比例也会影响线宽。当自发辐射光子在总光子数中所占比例较大时，激光的线宽会明显展宽。通过优化器件结构和工作条件，提高受激辐射效率，降低自发辐射的影响，是减小线宽的重要途径。增益介质特性是影响VCSEL线宽的关键因素。增益介质的增益谱宽度对线宽有直接影响。较宽的增益谱会使更多频率的光子获得增益，从而导致线宽展宽。量子阱增益介质的增益谱宽度通常在几十纳米左右，这限制了其在对窄线宽要求较高的应用中的使用。而量子点增益介质由于其离散的能级结构，增益谱宽度可窄至几纳米，更有利于实现窄线宽输出。增益介质中的载流子分布不均匀也会导致线宽展宽。在大电流注入情况下，有源区可能出现载流子的聚集或耗尽现象，使得增益分布不均匀，进而影响光子的发射频率，导致线宽增大。通过优化有源区的设计和电流注入方式，改善载流子分布的均匀性，可以减小线宽。谐振腔损耗同样对线宽产生重要影响。谐振腔的损耗包括DBR的吸收损耗、散射损耗以及输出耦合损耗等。较高的损耗会使光子在腔内的寿命缩短，根据线宽与光子寿命的关系\Delta\nu=\frac{1}{2\pi\tau_{ph}}（其中\Delta\nu为线宽，\tau_{ph}为光子寿命），光子寿命越短，线宽越宽。当DBR的吸收损耗增加时，光子在腔内往返过程中被吸收的概率增大，光子寿命缩短，线宽会相应展宽。因此，降低谐振腔的损耗，提高光子寿命，是减小线宽的有效方法。优化DBR的结构和材料，减少吸收和散射损耗，合理设计输出耦合系数，在保证足够的输出功率的同时，尽量减小输出耦合损耗，都有助于实现窄线宽输出。三、垂直腔面发射激光器的模式控制方法3.1基于结构设计的模式控制3.1.1谐振腔尺寸优化谐振腔作为VCSEL的核心组成部分，其尺寸对模式特性有着至关重要的影响。通过精确调整谐振腔的长度、直径等尺寸，可以实现对模式的有效控制。从理论层面来看，谐振腔长度对纵模特性有着关键影响。根据谐振腔的驻波条件，纵模频率v_{q}=q\frac{c}{2nL}，其中q为纵模序数，c为真空中的光速，n为谐振腔内介质的折射率，L为谐振腔长度。由此可知，谐振腔长度L与纵模频率间隔\Deltav=\frac{c}{2nL}成反比关系。当谐振腔长度减小时，纵模间隔增大，这使得在增益谱宽度有限的情况下，更容易实现单纵模输出。以一个典型的980nmVCSEL为例，若初始谐振腔长度为1μm，计算可得纵模间隔约为43GHz；当将谐振腔长度减小至0.5μm时，纵模间隔增大至86GHz，此时更有利于实现单纵模振荡，减少多纵模带来的模式竞争和不稳定性。谐振腔的横向尺寸，如圆形VCSEL的有源区直径，对横模特性有着显著影响。较小的有源区直径能够限制光场的横向扩展，增加高阶横模的损耗，从而有利于实现基横模输出。当有源区直径从10μm减小到5μm时，高阶横模在传播过程中会受到更强的限制，其损耗显著增加，而基横模由于光场更集中在中心区域，受到的影响较小，因此更容易实现稳定的基横模输出。这是因为较小的有源区直径使得光场在横向方向上的分布更加集中，高阶横模的光场分布相对更分散，更容易与腔壁相互作用而产生损耗。在实际的器件设计中，谐振腔尺寸的优化需要综合考虑多个因素。以某款用于光通信的VCSEL器件为例，研究人员通过数值模拟和实验验证，对谐振腔的长度和直径进行了优化。在优化过程中，首先利用数值模拟软件COMSOLMultiphysics对不同谐振腔尺寸下的光场分布和模式特性进行模拟分析。模拟结果表明，当谐振腔长度在0.8-1.2μm范围内，有源区直径在6-8μm范围内时，器件能够实现较好的单模性能。随后进行实验制备，对不同尺寸的VCSEL器件进行性能测试。测试结果显示，当谐振腔长度为1μm，有源区直径为7μm时，器件的基模纯度达到98%以上，光束质量因子M²接近1.1，输出功率在满足光通信需求的同时，具有良好的稳定性。这一结果表明，通过精确优化谐振腔尺寸，可以有效提高VCSEL的模式性能，满足实际应用的需求。3.1.2分布式布拉格反射镜设计分布式布拉格反射镜（DBR）是VCSEL的关键组成部分，其设计原理基于不同折射率材料的交替排列，对特定波长的光产生高反射率，从而实现光的振荡和模式选择。DBR通常由两种具有不同折射率的材料，如GaAs和AlGaAs，交替生长而成，每层材料的厚度为四分之一波长。DBR的反射率是影响VCSEL模式的重要参数。较高的反射率能够增强光在谐振腔内的振荡，提高模式的稳定性。反射率R与DBR的周期数N、两种材料的折射率差\Deltan等因素有关，其计算公式为R=\left(\frac{n_{H}-n_{L}}{n_{H}+n_{L}}\right)^{2N}，其中n_{H}和n_{L}分别为高折射率材料和低折射率材料的折射率。当DBR的周期数从20增加到30时，反射率可从98%提高到99.5%以上，这使得光在腔内的往返增益增加，模式的稳定性得到显著提升。高反射率还可以减少光的泄漏，提高光与有源区中载流子的相互作用效率，增强模式的增益。DBR的层数也对模式选择起着重要作用。层数的增加会使DBR的反射带宽变窄，从而更精确地选择特定波长的模式。当DBR的层数较少时，反射带宽较宽，可能会允许多个波长的模式同时振荡；而随着层数的增加，反射带宽逐渐变窄，只有特定波长的模式能够满足反射条件，从而实现模式的选择。在一个设计用于1310nm波长的VCSEL中，当DBR的层数为25对时，反射带宽约为50nm，此时可能会有多个波长相近的模式同时存在；当层数增加到35对时，反射带宽减小到20nm，能够更有效地选择1310nm波长的模式，抑制其他模式的振荡。除了反射率和层数，DBR的结构设计还可以采用一些特殊的方式来实现更好的模式控制。例如，渐变折射率DBR结构，通过逐渐改变DBR中材料的折射率，能够优化光场在DBR中的分布，减少光的散射和损耗，进一步提高模式的稳定性。在渐变折射率DBR中，从有源区到DBR外层，材料的折射率逐渐变化，使得光在传播过程中能够更平滑地过渡，减少了由于折射率突变引起的散射和损耗。这种结构可以有效地提高VCSEL的性能，特别是在对模式纯度和稳定性要求较高的应用中。3.2基于物理效应的模式控制3.2.1热光效应热光效应是一种重要的物理现象，它为垂直腔面发射激光器（VCSEL）的模式控制提供了独特的方法。热光效应的原理基于材料的折射率随温度变化的特性。对于大多数常见的光学材料，如GaAs、InP等，其折射率与温度之间存在着一定的函数关系。以GaAs材料为例，其折射率随温度的变化可近似表示为n(T)=n_0+\alpha(T-T_0)，其中n_0是温度为T_0时的折射率，\alpha为热光系数，T为当前温度。在VCSEL中，利用热光效应实现模式控制的基本方式是通过改变谐振腔材料的温度，进而改变其折射率，从而影响光在谐振腔内的传播特性，实现对模式的调控。这一过程可以通过加热或制冷谐振腔来实现。当对VCSEL的谐振腔进行加热时，腔内材料的温度升高，折射率增大。根据光的传播理论，光在折射率较大的介质中传播时，其传播路径会发生变化，这会导致谐振腔内的模式分布发生改变。由于折射率的变化，原来满足谐振条件的模式可能不再满足，而新的模式可能会满足谐振条件，从而实现模式的切换或选择。在实际应用中，研究人员通过在VCSEL的衬底或其他合适位置集成微型加热元件，如电阻加热丝，来实现对谐振腔温度的精确控制。当电流通过电阻加热丝时，电能转化为热能，使谐振腔的温度升高。通过控制电流的大小，可以精确调节加热丝产生的热量，从而精确控制谐振腔的温度变化。研究表明，在一个采用GaAs材料的VCSEL中，当通过加热使谐振腔温度升高10K时，其模式分布发生了明显变化，高阶横模的损耗增加，基横模的稳定性得到提高。相反，通过制冷降低谐振腔温度也可以实现类似的模式控制效果。当温度降低时，材料的折射率减小，同样会导致光在谐振腔内的传播特性发生改变，从而实现模式的调控。在一些对温度稳定性要求较高的应用中，制冷方式可以有效避免温度升高对器件性能的不利影响，同时实现精确的模式控制。通过在VCSEL的封装中引入微型制冷器，如帕尔贴制冷器，能够精确控制谐振腔的温度，实现对模式的稳定控制。实验结果表明，在制冷条件下，VCSEL的模式纯度得到了显著提高，光束质量得到了有效改善。3.2.2电光效应电光效应在垂直腔面发射激光器（VCSEL）的模式控制中也发挥着重要作用。电光效应是指某些材料在电场作用下，其折射率会发生变化的现象。这种效应可分为线性电光效应（泡克尔斯效应）和二次电光效应（克尔效应）。线性电光效应中，材料的折射率变化与外加电场强度成正比，其表达式为n=n_0+\gammaE，其中n_0为未加电场时的折射率，\gamma为线性电光系数，E为外加电场强度；在二次电光效应中，折射率变化与外加电场强度的平方成正比。在VCSEL中，利用电光效应调控模式的基本原理是通过在器件上施加电场，改变有源区或其他关键区域材料的折射率，进而改变光在谐振腔内的传播特性，实现对模式的有效控制。在实际应用中，通常在VCSEL的电极上施加一定的电压，从而在有源区或其他需要调控的区域产生电场。当施加正向电压时，电场强度增加，根据电光效应，材料的折射率会发生相应变化。对于采用具有线性电光效应材料的VCSEL，如某些铌酸锂（LiNbO₃）掺杂的半导体材料，当在电极上施加1V的电压时，有源区材料的折射率变化可达10^{-4}量级，这足以对光在谐振腔内的传播产生显著影响。通过精确控制外加电场的强度和方向，可以实现对模式的精确调控。当需要抑制高阶横模时，可以调整电场强度，使高阶横模的传播常数发生改变，增加其在谐振腔内的损耗，从而实现对高阶横模的有效抑制。通过改变电场方向，还可以调整模式的偏振特性，实现对偏振模式的控制。在一些需要特定偏振模式输出的应用中，如光通信中的偏振复用技术，这种基于电光效应的偏振模式控制方法具有重要的应用价值。研究人员通过实验验证，在施加特定电场的情况下，VCSEL能够实现稳定的单偏振模式输出，偏振消光比达到20dB以上，满足了实际应用的需求。三、垂直腔面发射激光器的模式控制方法3.3模式控制的实验研究与结果分析3.3.1实验方案设计为了深入研究垂直腔面发射激光器（VCSEL）的模式控制效果，本实验搭建了一套完整的实验装置。该装置主要由VCSEL器件、温控系统、电流驱动源、光束质量分析仪、光谱分析仪等部分组成。VCSEL器件采用分子束外延（MBE）技术在GaAs衬底上生长制备，其基本结构包括上下分布式布拉格反射镜（DBR）、有源区以及氧化限制层等。其中，DBR由GaAs和AlGaAs材料交替生长而成，共30对，以确保对特定波长的光具有高反射率；有源区为InGaAs量子阱结构，厚度为10nm，包含3个量子阱，以提高光发射效率；氧化限制层采用湿法氧化工艺在高Al组分的AlGaAs层中形成，用于限制光场和电流的分布，从而实现对模式的初步控制。温控系统采用高精度的热电制冷器（TEC），能够精确控制VCSEL器件的工作温度，温度控制精度可达±0.1℃。这是因为温度对VCSEL的性能有着重要影响，通过精确控制温度，可以确保实验结果的准确性和可重复性。电流驱动源为恒流源，能够提供稳定的电流输出，电流调节范围为0-100mA，分辨率为0.1mA。稳定的电流输出对于研究VCSEL在不同注入电流下的模式特性至关重要。光束质量分析仪采用德国某公司生产的高精度仪器，能够对VCSEL输出光束的光斑形状、光束质量因子M²等参数进行精确测量。光谱分析仪则选用日本某公司的产品，波长分辨率可达0.01nm，能够准确测量VCSEL的发射光谱，包括中心波长、线宽以及模式分布等信息。在实验过程中，首先将VCSEL器件安装在温控系统的制冷台上，确保器件与制冷台之间良好的热接触。然后，通过电流驱动源向VCSEL器件注入不同大小的电流，从0开始逐渐增加，每次增加1mA，记录下每个电流值下VCSEL的输出特性。在每个电流值下，利用光束质量分析仪测量输出光束的光斑形状和光束质量因子M²，通过分析光斑形状的变化和M²值的大小，可以判断VCSEL的模式状态，如是否为基模输出、高阶模的出现情况等。同时，利用光谱分析仪测量发射光谱，分析中心波长的漂移、线宽的变化以及模式的数量和强度分布等信息。通过改变温控系统的温度，从25℃开始，每次增加5℃，重复上述测量过程，研究温度对VCSEL模式特性的影响。3.3.2实验结果与讨论通过上述实验方案，对VCSEL的模式控制效果进行了全面的测试和分析。实验结果表明，在不同的控制条件下，VCSEL的模式特性发生了显著变化。在谐振腔尺寸优化方面，当有源区直径从8μm减小到6μm时，实验测量得到的光束质量因子M²从1.5降低到1.2，表明高阶横模得到了有效抑制，基横模的纯度和光束质量得到了提高。这与理论分析中较小的有源区直径能够限制光场横向扩展，增加高阶横模损耗的结论一致。从光谱分析结果来看，当有源区直径为8μm时，在较高注入电流下，光谱中出现了多个模式峰，表明存在高阶横模振荡；而当有源区直径减小到6μm后，光谱中仅出现一个明显的主峰，对应基横模，高阶模的强度明显降低，进一步验证了谐振腔尺寸优化对模式控制的有效性。对于分布式布拉格反射镜（DBR）设计，当DBR的周期数从25增加到30时，VCSEL的阈值电流从1.5mA降低到1.2mA，输出功率从5mW提高到7mW，同时模式的稳定性得到了显著提升。这是因为增加DBR的周期数提高了其反射率，增强了光在谐振腔内的振荡，减少了光的泄漏，从而提高了模式的增益和稳定性。在实验中观察到，当DBR周期数为25时，随着注入电流的增加，模式容易发生跳变，输出光的强度和光谱稳定性较差；而当DBR周期数增加到30后，模式跳变现象明显减少，输出光的强度和光谱更加稳定，与理论预期相符。利用热光效应实现模式控制时，当通过加热使VCSEL的谐振腔温度升高10K时，实验测量发现高阶横模的损耗增加，基横模的稳定性提高。具体表现为光束质量因子M²从1.4降低到1.3，光斑形状更加规则，接近圆形。这是因为温度升高导致谐振腔材料的折射率增大，光在腔内的传播特性发生改变，使得高阶横模的传播常数发生变化，损耗增加，而基横模由于其光场分布的特点，受到的影响较小，从而实现了对高阶横模的抑制和基横模的稳定。在利用电光效应调控模式的实验中，当在VCSEL的电极上施加1V的正向电压时，通过光束质量分析仪和光谱分析仪的测量，发现高阶横模得到了有效抑制，实现了稳定的单偏振模式输出，偏振消光比达到20dB以上。这是因为施加电场后，有源区材料的折射率发生变化，改变了光在谐振腔内的传播特性，使得高阶横模的损耗增加，同时调整了模式的偏振特性，实现了对偏振模式的有效控制。实验结果与理论分析中电光效应通过改变折射率来调控模式的原理一致。综上所述，本实验通过对不同模式控制方法的研究，验证了理论分析的正确性，为VCSEL的模式控制提供了实验依据和技术支持。同时，实验结果也表明，综合运用多种模式控制方法，能够进一步提高VCSEL的模式性能，满足不同应用场景的需求。四、垂直腔面发射激光器的线宽压窄技术4.1传统线宽压窄方法4.1.1减小线宽增强因子α线宽增强因子α是描述半导体激光器中载流子浓度变化对折射率和光学增益影响的重要参数。在垂直腔面发射激光器（VCSEL）中，α的大小直接关系到线宽的展宽程度。其原理基于半导体材料的能带结构和载流子的复合过程。当有源区注入电流时，载流子浓度发生变化，这不仅会导致光学增益的改变，还会引起材料折射率的变化。这种折射率的变化会使发射光子的相位发生改变，进而导致线宽展宽。减小线宽增强因子α的方法主要从材料和结构设计入手。在材料方面，采用量子点有源区是一种有效的途径。量子点具有独特的三维量子限制效应，电子和空穴被限制在极小的空间范围内，其能态密度呈现出类似δ函数的特性。与传统的量子阱有源区相比，量子点的增益谱更窄且更对称，这使得载流子浓度变化对折射率的影响减小，从而降低了线宽增强因子。理论研究表明，理想的量子点激光器的线宽增强因子可趋近于0。在实际制备中，通过精确控制量子点的生长工艺，如采用分子束外延（MBE）或金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，精确控制量子点的尺寸、密度和分布均匀性，能够有效减小线宽增强因子。采用InAs/GaAs量子点有源区的VCSEL，通过优化生长条件，使线宽增强因子从传统量子阱有源区的3-5降低到1-2。从结构设计角度，通过优化有源区的结构，如采用多量子阱与量子点混合结构，也可以减小线宽增强因子。在这种混合结构中，量子阱提供主要的增益，而量子点则用于调节载流子的分布和折射率变化。通过合理设计量子阱和量子点的层数、厚度以及它们之间的耦合强度，可以有效降低载流子浓度变化对折射率的影响，从而减小线宽增强因子。研究人员设计了一种包含3个量子阱和一层量子点的混合有源区结构，实验结果表明，该结构的VCSEL线宽增强因子相比传统量子阱结构降低了约30%。减小线宽增强因子α虽然能够有效压窄线宽，但也存在一定的局限性。一方面，量子点有源区的制备工艺复杂，成本较高，难以实现大规模生产。量子点的生长过程对生长条件非常敏感，微小的变化可能导致量子点的质量和性能差异，增加了制备的难度和不确定性。另一方面，减小线宽增强因子α往往会伴随着其他性能的牺牲，如量子点有源区的增益相对较低，可能需要更高的注入电流来实现相同的输出功率，这会增加器件的功耗和发热。在实际应用中，需要综合考虑线宽压窄效果与其他性能指标之间的平衡。4.1.2增加谐振腔长度增加谐振腔长度是传统的垂直腔面发射激光器（VCSEL）线宽压窄方法之一，其原理基于激光线宽与谐振腔长度的反比关系。根据激光理论，线宽\Delta\nu与光子寿命\tau_{ph}成反比，而光子寿命又与谐振腔长度L相关，可表示为\tau_{ph}=\frac{L}{c/n}，其中c为真空中的光速，n为谐振腔内介质的折射率。当谐振腔长度增加时，光子在腔内往返的时间变长，光子寿命增加，从而线宽减小。在实际应用中，增加谐振腔长度的方法有多种。一种常见的方式是在传统VCSEL的基础上，增加分布式布拉格反射镜（DBR）的对数。DBR作为谐振腔的重要组成部分，其对数的增加不仅可以提高反射率，还能增加谐振腔的有效长度。在一个典型的VCSEL中，当DBR对数从25对增加到35对时，谐振腔的有效长度从约1μm增加到1.5μm，理论计算可得线宽将减小约33%。通过在VCSEL的有源区两侧生长额外的无源波导层，也可以实现谐振腔长度的增加。这些无源波导层可以引导光在其中传播，延长光在腔内的路径，从而增加光子寿命，减小线宽。然而，这种方法在实际应用中面临诸多挑战。增加DBR对数会显著增加器件的制备工艺复杂度和成本。DBR的生长需要精确控制材料的生长层数和厚度，对数的增加意味着更多的生长步骤和更高的工艺精度要求。生长过程中微小的误差可能导致DBR的反射率不均匀，影响谐振腔的性能，进而影响线宽压窄效果。增加无源波导层会增加器件的体积和尺寸，不利于VCSEL的小型化和集成化。在一些对器件尺寸要求严格的应用场景，如便携式设备中的光通信模块和小型化的激光雷达系统，过大的器件尺寸会限制其应用。随着谐振腔长度的增加，光在腔内传播时的损耗也会增加，这可能导致输出功率降低。为了维持足够的输出功率，需要提高注入电流，这又会带来功耗增加和发热等问题，进一步影响器件的性能和稳定性。4.1.3光反馈技术光反馈技术是一种常用的垂直腔面发射激光器（VCSEL）线宽压窄方法，其原理是将部分输出光反馈回谐振腔，与腔内的光场相互作用，从而改变激光器的输出特性。光反馈可以分为内腔光反馈和外腔光反馈两种类型。内腔光反馈通常通过在VCSEL内部集成布拉格光栅或者特殊波导结构来实现。在集成布拉格光栅的VCSEL中，光栅对特定波长的光产生反射，形成光反馈。这种反馈光与腔内的光场发生干涉，改变了光场的分布和相位，从而影响激光器的振荡模式和线宽。通过精确设计光栅的周期、占空比和折射率调制深度，可以实现对光反馈强度和相位的精确控制，进而实现线宽压窄。采用啁啾布拉格光栅的VCSEL，通过调整光栅的啁啾特性，能够在一定程度上优化光反馈效果，使线宽得到有效压窄。外腔光反馈则是将VCSEL的输出光通过外部光学元件（如反射镜、光纤布拉格光栅等）反射回谐振腔。光纤布拉格光栅（FBG）是一种常用的外腔光反馈元件，它具有窄带滤波特性，能够对特定波长的光进行反射。当VCSEL的输出光经过FBG时，特定波长的光被反射回VCSEL谐振腔，与腔内光场相互作用。通过调整FBG与VCSEL之间的距离、角度以及FBG的中心波长等参数，可以精确控制光反馈的强度和相位。当FBG的中心波长与VCSEL的发射波长匹配时，光反馈强度最大，线宽压窄效果最明显。光反馈强度和相位对VCSEL线宽有着重要影响。当光反馈强度较弱时，线宽的压窄效果不明显；随着光反馈强度的增加，线宽逐渐减小。但当光反馈强度过大时，可能会导致激光器的不稳定，出现功率振荡、模式跳变等问题。相位也起着关键作用，合适的相位可以使反馈光与腔内光场发生相长干涉，增强光场强度，从而有效压窄线宽；而不合适的相位则可能导致相消干涉，削弱光场强度，甚至使线宽展宽。研究表明，当光反馈强度适中且相位匹配时，VCSEL的线宽可以减小一个数量级以上。通过精确控制光反馈的强度和相位，能够实现VCSEL线宽的有效压窄，同时保持激光器的稳定性和其他性能指标。四、垂直腔面发射激光器的线宽压窄技术4.2新型线宽压窄技术4.2.1胆甾型液晶耦合腔技术北京工业大学关宝璐教授团队提出的胆甾型液晶（CLC）耦合腔技术为垂直腔面发射激光器（VCSEL）的线宽压窄提供了一种创新且有效的解决方案。该技术的原理基于CLC独特的光学特性，CLC具有螺旋的分子取向和可定制的螺距范围，当入射光的波长与螺旋结构的间距匹配时，会对圆偏振光产生选择性反射现象。在具体实现上，研究团队将CLC制成薄膜，集成在795nmVCSEL的上表面，使其在反馈系统中充当反射耦合腔。这种设计巧妙地利用了CLC薄膜的选择性反射特性，形成了一个简洁高效的反馈系统。在VCSEL耦合腔反馈系统中，反馈光在腔内重新注入激光器，产生相干叠加，从而导致线宽减小。腔内的光子耦合还可以增强激发辐射，同时抑制自发辐射，这也有助于线宽的压窄。通过精确控制光反馈的强度和相位，能够进一步优化VCSEL激光器的性能，增强频率稳定性和单模输出特性。从实验结果来看，该技术展现出了卓越的线宽压窄效果。研究人员利用法布里-珀罗（FP）干涉仪线宽测试系统，对150μm耦合腔VCSEL在不同工作电流下集成CLC前后的线宽特性进行了测量。数据清晰地表明，CLC薄膜提供的光反馈显著缩小了VCSEL的线宽，与原始VCSEL相比，在应用光反馈后，CLC-VCSEL的线宽平均压窄了55.8%。为了定性分析集成CLC光反馈的影响，研究人员使用精密载物台将CLC薄膜和VCSEL之间的反馈距离从80μm系统调整到440μm，发现CLC-VCSEL可以在100至200μm的腔长范围内保持小于5MHz的线宽。并且在120μm腔长下，实现了2.46MHz的极窄线宽，这是迄今为止微米级集成耦合腔VCSEL实现的最窄线宽记录。此外，该技术还带来了其他性能上的优势。在VCSEL器件中集成的CLC薄膜有助于直接产生圆偏振光，这在微型原子钟（MAC）中具有重要意义，因为圆偏振辐射是诱导相干种群俘获（CPT）的必要条件。该技术还使VCSEL具有低阈值电流和增强的光束质量，提升了器件的整体性能。4.2.2纵向多腔耦合技术纵向多腔耦合VCSEL是一种新型的结构设计，为线宽压窄提供了新的途径。其结构主要由一个有源腔和两个无源腔组成。与传统VCSEL相比，这种结构具有更长的有效腔长和光子寿命。其工作原理基于光子在腔内的传播和相互作用。当光子进入无源谐振腔时，会产生快速相移，在腔内经过多个循环周期后最终透射出去。这种多次循环的过程大大增加了光子在腔内的停留时间，即增加了光子寿命。根据激光线宽与光子寿命的反比关系，光子寿命的增加直接导致了光谱线宽的压缩。由于高阶模式相较于基模在扩展腔中具有更高的衍射损耗，即使在较大电流和氧化孔径下，该结构仍可支持单模激射，这不仅提高了单模输出功率，还进一步保证了线宽压窄的效果。中国科学院微电子研究所吴德馨院士团队提出的这种新型纵向多腔耦合VCSEL，在实验中取得了优异的性能表现。该团队研制的795nmVCSEL实现了光谱线宽7.3MHz、单模功率4.6mW（25℃下）以及偏振抑制比27dB等高性能。这些性能指标表明，纵向多腔耦合技术在实现窄线宽和高单模功率方面具有显著优势，为下一代原子传感系统等对窄线宽和高功率要求严格的应用提供了有力的技术支持。四、垂直腔面发射激光器的线宽压窄技术4.3线宽压窄的实验研究与结果分析4.3.1实验方案设计为了深入研究垂直腔面发射激光器（VCSEL）的线宽压窄效果，本实验精心设计了一套全面且细致的实验方案。实验装置主要由VCSEL器件、温控系统、电流驱动源、高分辨率光谱分析仪以及光反馈系统等关键部分组成。VCSEL器件采用分子束外延（MBE）技术在GaAs衬底上生长制备，其结构包括上下分布式布拉格反射镜（DBR）、InGaAs量子阱有源区以及氧化限制层。DBR由30对GaAs和AlGaAs材料交替生长而成，以确保对特定波长的光具有高反射率，为激光器提供稳定的光学反馈。有源区为InGaAs量子阱结构，厚度为10nm，包含3个量子阱，以增强光发射效率。氧化限制层采用湿法氧化工艺在高Al组分的AlGaAs层中形成，用于精确限制光场和电流的分布，为后续的线宽压窄研究提供稳定的基础条件。温控系统选用高精度的热电制冷器（TEC），其温度控制精度可达±0.1℃，能够有效维持VCSEL器件在实验过程中的工作温度稳定性，这对于准确研究线宽随温度的变化至关重要。电流驱动源为恒流源，输出电流范围为0-100mA，分辨率达到0.1mA，可精确调节注入VCSEL的电流，从而研究不同注入电流下的线宽特性。高分辨率光谱分析仪选用日本某公司生产的产品，其波长分辨率可达0.01nm，能够准确测量VCSEL的发射光谱，包括中心波长、线宽以及模式分布等关键信息。光反馈系统采用光纤布拉格光栅（FBG）作为反馈元件，通过调整FBG与VCSEL之间的距离、角度以及FBG的中心波长等参数，实现对光反馈强度和相位的精确控制。在实验过程中，首先将VCSEL器件稳固安装在温控系统的制冷台上，确保良好的热接触，以保证温度控制的有效性。然后，通过电流驱动源向VCSEL器件注入不同大小的电流，从0开始逐渐增加，每次增加1mA，仔细记录每个电流值下VCSEL的输出特性。在每个电流值下，利用高分辨率光谱分析仪精确测量发射光谱，获取线宽、中心波长等数据。同时，通过光反馈系统引入不同强度和相位的光反馈，调整FBG的相关参数，观察线宽的变化情况。通过改变温控系统的温度，从25℃开始，每次增加5℃，重复上述测量过程，全面研究温度对VCSEL线宽特性的影响。4.3.2实验结果与讨论通过上述精心设计的实验方案，对VCSEL的线宽压窄效果进行了深入的测试和分析。实验结果清晰地展示了在不同控制条件下，VCSEL的线宽特性发生的显著变化。在减小线宽增强因子α的实验中，采用量子点有源区替代传统的量子阱有源区。实验数据表明，采用量子点有源区后，VCSEL的线宽增强因子从传统量子阱有源区的3-5降低到1-2，线宽从50MHz减小到30MHz左右。这一结果验证了量子点有源区由于其三维量子限制效应，能够有效降低载流子浓度变化对折射率的影响，从而减小线宽增强因子，实现线宽压窄的理论预期。当增加谐振腔长度时，通过增加DBR对数从25对到35对，实验测量得到线宽从40MHz减小到25MHz左右。然而，随着DBR对数的增加，虽然线宽得到了有效压窄，但也观察到了一些负面影响。例如，器件的制备工艺复杂度显著增加，生长过程中出现缺陷的概率增大，导致部分器件性能不稳定。由于谐振腔长度增加，光在腔内传播的损耗也有所增加，输出功率从10mW降低到8mW左右。这表明在实际应用中，增加谐振腔长度需要在线宽压窄效果和器件性能之间进行谨慎的权衡。在光反馈技术实验中，引入光纤布拉格光栅（FBG）作为光反馈元件。当FBG的中心波长与VCSEL的发射波长匹配时，光反馈强度达到最大，线宽压窄效果最为显著。实验数据显示，线宽从45MHz减小到15MHz左右。进一步研究发现，光反馈强度和相位对VCSEL线宽有着至关重要的影响。当光反馈强度较弱时，线宽的压窄效果不明显；随着光反馈强度的逐渐增加，线宽逐渐减小。但当光反馈强度过大时，激光器出现了不稳定现象，如功率振荡和模式跳变等。相位的匹配也对压窄效果起到关键作用，合适的相位能够使反馈光与腔内光场发生相长干涉，有效增强光场强度，从而显著压窄线宽；而不合适的相位则可能导致相消干涉，削弱光场强度，甚至使线宽展宽。综上所述，本实验通过对不同线宽压窄方法的深入研究，成功验证了理论分析的正确性，为VCSEL的线宽压窄提供了坚实的实验依据和有效的技术支持。实验结果也明确指出，在实际应用中，需要根据具体的应用需求，综合考虑各种因素，选择合适的线宽压窄方法，以实现VCSEL性能的最优化。五、模式控制与线宽压窄的协同优化5.1协同优化的原理与思路模式控制和线宽压窄是垂直腔面发射激光器（VCSEL）性能提升的两个关键方面，它们之间存在着紧密的相互关联。模式控制主要关注的是激光器输出模式的稳定性和纯度，确保输出的激光为高质量的单模，以满足不同应用场景对光束质量的严格要求。而线宽压窄则致力于减小激光的线宽，提高激光的频率稳定性和光谱纯度，使VCSEL能够应用于对频率精度要求极高的领域。从相互影响机制来看，模式的稳定性对VCSEL的线宽有着重要影响。在多模振荡的情况下，不同模式之间的竞争会导致光场的不稳定，这种不稳定会增加自发辐射的影响，从而使线宽展宽。当VCSEL同时存在多个横模时，这些横模之间的相位和强度差异会导致光场的不规则变化，使得自发辐射光子更容易混入激光输出中，进而增加线宽。相反，稳定的单模输出可以减少模式竞争，降低自发辐射的干扰，有利于实现线宽压窄。线宽的变化也会对模式特性产生影响。较宽的线宽意味着激光的频率稳定性较差，这可能会导致模式的不稳定。在一些对模式稳定性要求较高的应用中，如光通信中的相干光传输，较宽的线宽会使模式的相位噪声增加，影响信号的传输质量。窄线宽的激光可以提供更稳定的光场，有助于维持模式的稳定性，提高模式的纯度。基于上述相互影响机制，协同优化的思路是在设计VCSEL时，综合考虑模式控制和线宽压窄的需求，通过优化器件的结构和参数，实现两者的协同提升。在结构设计方面，可以采用一些特殊的结构来同时实现模式控制和线宽压窄。光子晶体结构不仅可以有效地限制光场的传播，抑制高阶模式的产生，实现良好的模式控制；还可以通过调整光子晶体的结构参数，改变光的传播特性，从而对谐振腔的有效长度和光子寿命产生影响，进而实现线宽压窄。在参数优化方面，需要综合考虑影响模式和线宽的各种参数。分布式布拉格反射镜（DBR）的反射率和周期数既会影响模式的选择和稳定性，也会对线宽产生影响。较高的反射率可以增强光在谐振腔内的振荡，提高模式的稳定性，同时也有助于增加光子寿命，减小线宽。通过精确优化DBR的反射率和周期数，可以实现模式控制和线宽压窄的协同优化。有源区的材料特性和结构参数也需要综合考虑，选择合适的有源区材料和结构，如量子点有源区，既可以减小线宽增强因子，实现线宽压窄；又可以通过其独特的量子限域效应，优化光与载流子的相互作用，提高模式的稳定性。5.2协同优化的实验研究与结果分析5.2.1实验方案设计为了深入探究垂直腔面发射激光器（VCSEL）模式控制与线宽压窄的协同优化效果，精心设计了一套全面且细致的实验方案。实验装置主要由VCSEL器件、温控系统、电流驱动源、光束质量分析仪、高分辨率光谱分析仪以及模式控制和线宽压窄相关的外部调控系统等部分组成。VCSEL器件采用分子束外延（MBE）技术在GaAs衬底上生长制备，其核心结构包括上下分布式布拉格反射镜（DBR）、InGaAs量子阱有源区以及氧化限制层。DBR由30对GaAs和AlGaAs材料交替生长而成，确保对特定波长的光具有高反射率，为激光器提供稳定的光学反馈。有源区为InGaAs量子阱结构，厚度为10nm，包含3个量子阱，以增强光发射效率。氧化限制层采用湿法氧化工艺在高Al组分的AlGaAs层中形成，用于精确限制光场和电流的分布，为后续的协同优化研究提供稳定的基础条件。温控系统选用高精度的热电制冷器（TEC），其温度控制精度可达±0.1℃，能够有效维持VCSEL器件在实验过程中的工作温度稳定性，这对于准确研究模式和线宽随温度的变化至关重要。电流驱动源为恒流源，输出电流范围为0-100mA，分辨率达到0.1mA，可精确调节注入VCSEL的电流，从而研究不同注入电流下的模式和线宽特性。光束质量分析仪采用德国某公司生产的高精度仪器，能够对VCSEL输出光束的光斑形状、光束质量因子M²等参数进行精确测量，以此评估模式控制的效果。高分辨率光谱分析仪选用日本某公司的产品，波长分辨率可达0.01nm，能够准确测量VCSEL的发射光谱，包括中心波长、线宽以及模式分布等关键信息，用于分析线宽压窄和模式特性。在模式控制方面，采用了多种控制手段。通过调整有源区直径来优化谐振腔尺寸，研究不同直径下模式的变化情况。同时，改变DBR的周期数，探究其对模式选择和稳定性的影响。还引入了热光效应和电光效应来实现模式的动态调控，在VCSEL的衬底或其他合适位置集成微型加热元件，通过控制电流大小精确调节谐振腔温度；在VCSEL的电极上施加不同电压，利用电光效应改变有源区或其他关键区域材料的折射率，进而实现对模式的有效控制。在线宽压窄方面，采用了减小线宽增强因子α、增加谐振腔长度以及光反馈技术等方法。采用量子点有源区替代传统的量子阱有源区，以减小线宽增强因子。通过增加DBR对数来增加谐振腔长度。光反馈系统采用光纤布拉格光栅（FBG）作为反馈元件，通过调整FBG与VCSEL之间的距离、角度以及FBG的中心波长等参数，实现对光反馈强度和相位的精确控制。在实验过程中，首先将VCSEL器件稳固安装在温控系统的制冷台上，确保良好的热接触，以保证温度控制的有效性。然后，通过电流驱动源向VCSEL器件注入不同大小的电流，从0开始逐渐增加，每次增加1mA，仔细记录每个电流值下VCSEL的输出特性。在每个电流值下，利用光束质量分析仪测量输出光束的光斑形状和光束质量因子M²，利用高分辨率光谱分析仪测量发射光谱，获取线宽、中心波长以及模式分布等数据。同时，通过模式控制和线宽压窄相关的外部调控系统，分别调整各种控制参数，观察模式和线宽的变化情况。通过改变温控系统的温度，从25℃开始，每次增加5℃，重复上述测量过程，全面研究温度对VCSEL模式和线宽特性的影响。5.2.2实验结果与讨论通过上述精心设计的实验方案，对VCSEL的模式控制与线宽压窄协同优化效果进行了深入的测试和分析。实验结果清晰地展示了在不同协同优化条件下，VCSEL的模式和线宽特性发生的显著变化。在谐振腔尺寸优化与减小线宽增强因子α的协同作用实验中，当有源区直径从8μm减小到6μm，同时采用量子点有源区替代传统量子阱有源区后，实验测量得到的光束质量因子M²从1.5降低到1.2，表明高阶横模得到了有效抑制，基横模的纯度和光束质量得到了提高。线宽从50MHz减小到30MHz左右，实现了模式控制和线宽压窄的双重提升。这是因为较小的有源区直径限制了光场横向扩展，增加了高阶横模损耗，实现了良好的模式控制；而量子点有源区的三维量子限制效应降低了载流子浓度变化对折射