高温单模偏振稳定的垂直腔面发射激光器

《Optics and Lasers in Engineering》：High-Temperature Single-Mode Polarization-Stable Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers

单模单极化VCSEL的高温设计与表面光栅优化，实现105°C下0.89mW输出功率及35dB SMSR、16dB OPSR，适用于原子钟等精密传感领域。

　　

聂宇伟|宋一涵|李伟|刘素萍|冯硕|梁松|马晓宇

中国科学院半导体研究所光电器件国家工程研究中心，北京 100083，中国

摘要

本文介绍了一种795纳米高温单模单偏振表面光栅垂直腔面发射激光器的设计与制造。通过增益-腔模式失配理论优化了该器件的高温性能，并基于严格的耦合波分析设计了表面光栅以实现偏振控制。该器件具有优异的单模特性，边模抑制比约为35分贝。在105°C时，其输出功率为0.89毫瓦，正交偏振抑制比超过16分贝，表明其具有出色的偏振和温度稳定性。本研究成功展示了可在高达105°C的高温下工作的单模单偏振VCSEL，使其适用于原子钟等原子传感领域。

引言

近年来，原子传感设备发展迅速并受到了广泛关注。垂直腔面发射激光器（VCSEL）凭借其单纵模操作、优异的波长-温度稳定性、圆形光束输出以及易于片上测试的特点[1,2]，成为原子传感设备的理想光源。采用VCSEL作为光源的芯片级原子钟（CSAC）具有体积小和功耗低的优点。当VCSEL基于相干种群捕获（CPT）原理[3]用作CSAC的光源时，必须具备高单模特性、高温下的稳定运行以及稳定的偏振特性。这些要求源于高温原子蒸汽室的操作条件，精确的频率调谐对于防止调制过程中的额外原子吸收信号、保持原子吸收效率以及避免可能引起功率或波长不稳定的偏振跳变至关重要。VCSEL的理想规格包括在100±10°C的温度范围内工作，边模抑制比（SMSR）>30分贝，正交偏振抑制比（OPSR）>15分贝，以及光谱线宽<100兆赫。在之前的研究中，通过优化氧化物孔径[4,5]和实施表面浮雕[6]结构等方法实现了单模操作；而通过量子阱与腔模式失配[7]以及使用量子点[8]有源区域等方法实现了高温操作。

在VCSEL中，每个横向模式存在两种正交偏振的模式[9]，这些模式可能会在温度或偏置电流变化时发生切换。由于传统VCSEL的各向同性增益和圆柱对称性，模式跳变可能发生，使得实现稳定的线性偏振变得困难。已经探索了多种方法来实现偏振控制，包括衬底折射率修改[10,11]、非对称谐振器[12,13]、外部光反馈[14,15]、非对称氧化物孔径[16]和表面光栅[17]。

在这项工作中，我们基于⁸⁷Rb设计了用于CSAC的高温单模单偏振795纳米VCSEL。通过增益-腔模式失配理论优化了外延结构以提高高温性能。实现了表面光栅结构，光栅参数通过严格的耦合波分析（RCWA）确定，确保了稳定的偏振特性。该器件的SMSR超过35分贝，OPSR超过16分贝。从25°C升至105°C时，输出功率几乎没有下降，斜率效率仅有轻微下降。这些结果表明，该器件满足了原子传感应用中对VCSEL光源的严格要求。

章节摘录

高温特性的优化

为了确保碱金属蒸汽室中的足够原子活性，必须在高温环境下运行。为了保持CSAC的微型化，VCSEL必须能够在这些蒸汽室特有的高温下可靠运行。VCSEL在高温下性能下降的主要机制是腔共振与光增益带宽之间的失配，这会增加阈值电流并降低斜率效率。

为了提高

表面光栅设计

CSAC需要具有稳定线性偏振的VCSEL，以便通过偏振器实现可靠的圆形偏振，并确保在操作过程中不会因偏振切换而导致功率或波长波动。由于VCSEL的增益是各向同性的，可能会发生偏振模式竞争和跳变。表面光栅可以诱导平行于和垂直于光栅线的偏振模式产生不同的反射率，其中横向电（TE）模式平行于光栅线。

器件制造

VCSEL晶圆采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术在n型掺杂的GaAs衬底上生长。外延结构包括底部分布式布拉格反射器（DBR）、有源区、氧化物层、顶部DBR和GaAs盖层。有源区包含三个压缩应变的InGaAlAs/AlGaAs量子阱。底部和顶部DBR分别由39.5对C掺杂和23对Si掺杂的Al_0.22Ga_0.78As/Al_0.9Ga_0.1As组成。为了减少串联

实验结果

在这项研究中，我们制造了表面光栅VCSEL器件，并在特定温度范围内对其光-电流-电压（L-I-V）特性进行了表征。测量使用PD50-D9-UV-1激光功率计（波长范围：200–1100纳米）和IT6411S电源进行。

功率-电流曲线和光谱特性如图6(a)所示。在105°C时，该器件的输出功率为0.89毫瓦，表现出优异的单模性能，实现了

结论

本研究制造了一种包含表面光栅结构的高温单模单偏振VCSEL。该器件表现出优异的性能特性，在105°C时输出功率为0.89毫瓦，SMSR为35分贝，并保持了超过16分贝的OPSR，表明其具有出色的偏振和温度稳定性。通过基于增益-腔模式失配理论的系统外延结构优化，阈值电流

资助

得到国家自然科学基金（编号：62,174,154）的支持。

CRediT作者贡献声明

聂宇伟：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草案，可视化，验证，方法论，数据分析，概念化。宋一涵：撰写 – 审稿与编辑，监督。李伟：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取，概念化。刘素萍：监督，资源协调，项目管理，资金获取。冯硕：撰写 – 审稿与编辑，监督。梁松：监督。马晓宇：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（NNSFC）（资助编号：62174154）的资助。