中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
近日，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所的研究團隊揭示了一種新型金屬介質(zhì)薄膜模式濾波器結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以靈活調(diào)節(jié)垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）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。這項研究以“Simulation of Modal Control of Metal Mode-Filtered Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser”為題，發(fā)表在Sensors期刊上。
傳統(tǒng)的氧化物限制型VCSEL在單模運行時，通常會面臨串聯(lián)電阻增大和輸出功率低的問題。為了克服這些限制，研究人員提出了一種使用金屬孔徑的有效模式濾波技術(shù)。
研究人員使用COMSOL軟件開發(fā)了金屬模式濾波VCSEL（MMF-VCSEL）的有限元仿真模型。仿真結(jié)果表明，MMF-VCSEL的模態(tài)控制性能受到P-DBR對數(shù)、金屬孔徑大小和氧化物孔徑大小的顯著影響。具體來說，當(dāng)P-DBR的數(shù)量較少時，橫向光場被強烈地限制在金屬孔徑內(nèi)，但隨著P-DBR 數(shù)量的增加，限制作用減弱。當(dāng)金屬孔徑小于氧化物孔徑時，光散射效應(yīng)會隨著兩個孔徑之間距離的減小而增強。
不同氧化物孔徑和金屬孔徑下LP01模式的橫向氧化物光學(xué)限制因子與金屬光學(xué)限制因子之比
這增加了模式識別和模式損耗，有利于提高單模穩(wěn)定性。當(dāng)金屬孔徑超過氧化物孔徑時，VCSEL中的光學(xué)模式主要由氧化物孔徑控制。這凸顯了金屬孔徑和氧化物孔徑在決定光場限制和模式識別方面的復(fù)雜相互作用。
(a) LP01和 (b) LP11在不同金屬孔徑和不同數(shù)量P-DBR對上的光學(xué)限制因子
此外，研究人員還引入了一個新參數(shù)--光學(xué)增益，它描述了不同橫向模式的閾值增益因結(jié)構(gòu)的光學(xué)散射而發(fā)生的變化。通過平衡不同模式之間的光學(xué)增益差異和基本模式的光學(xué)增益，他們確定了最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而提高了MMF-VCSEL的單模穩(wěn)定性和斜率效率。
(a) 兩個最低階模的光學(xué)增益差異；(b) LP01模式在具有不同數(shù)量P-DBR對的不同金屬孔徑下的光學(xué)增益，氧化物孔徑為8 μm
這種金屬模式濾波VCSEL結(jié)構(gòu)代表了光學(xué)模式控制領(lǐng)域的一大進步。通過靈活調(diào)制橫向模式，研究人員展示了具有改進性能特征的高功率單模VCSEL的潛力。這項研究強調(diào)了金屬孔徑在增強VCSEL模式控制方面的關(guān)鍵作用，為開發(fā)具有廣泛應(yīng)用的高性能VCSEL開辟了新途徑。
