中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近日，中國科學(xué)院長(cháng)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)薄膜模式濾波器結構，這種結構可以靈活調節垂直腔面發(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。
傳統的氧化物限制型VCSEL在單模運行時(shí)，通常會(huì )面臨串聯(lián)電阻增大和輸出功率低的問(wèn)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(kāi)發(fā)了金屬模式濾波VCSEL（MMF-VCSEL）的有限元仿真模型。仿真結果表明，MMF-VCSEL的模態(tài)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(zhù)影響。具體來(lái)說(shuō)，當P-DBR的數量較少時(shí)，橫向光場(chǎng)被強烈地限制在金屬孔徑內，但隨著(zhù)P-DBR 數量的增加，限制作用減弱。當金屬孔徑小于氧化物孔徑時(shí)，光散射效應會(huì )隨著(zhù)兩個(gè)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，有利于提高單模穩定性。當金屬孔徑超過(guò)氧化物孔徑時(shí)，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(chǎng)限制和模式識別方面的復雜相互作用。
(a) LP01和 (b) LP11在不同金屬孔徑和不同數量P-DBR對上的光學(xué)限制因子
此外，研究人員還引入了一個(gè)新參數--光學(xué)增益，它描述了不同橫向模式的閾值增益因結構的光學(xué)散射而發(fā)生的變化。通過(guò)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，他們確定了最佳結構參數，從而提高了MMF-VCSEL的單模穩定性和斜率效率。
(a) 兩個(gè)最低階模的光學(xué)增益差異；(b) LP01模式在具有不同數量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結構代表了光學(xué)模式控制領(lǐng)域的一大進(jìn)步。通過(guò)靈活調制橫向模式，研究人員展示了具有改進(jìn)性能特征的高功率單模VCSEL的潛力。這項研究強調了金屬孔徑在增強VCSEL模式控制方面的關(guān)鍵作用，為開(kāi)發(fā)具有廣泛應用的高性能VCSEL開(kāi)辟了新途徑。
