光通信用垂直腔面发射激光器的进展

垂直腔面发射激光器(VCSEL)以其优异的性能有望成为信息时代的新光源.文章介绍了用于光通信的VCSEL的开发现状.     

A One‐Kilobit PQR‐CMOS Smart Pixel Array

The photonic quantum ring (PQR) laser is a three dimensional whispering gallery (WG) mode laser and has anomalous quantum wire properties, such as microampere to nanoampere range threshold currents and √T‐dependent thermal red shifts. We observed uniform bottom emissions from a 1‐kb smart pixel chip of a 32×32 InGaAs PQR laser array flip‐chip bonded to a 0.35 µm CMOS‐based PQR laser driver. The PQR‐CMOS smart pixel array, now operating at 30 MHz, will be improved to the GHz frequency range through device and circuit optimization.     

VCSEL偏振相关特性的实验研究

利用一套自己研制的实验装置对VCSEL的偏振相关特性进行了研究，包括偏振相关静态LI曲线、光谱以及时间响应等，分析了偏振模式分配噪声的产生机理。在此基础上提出了实现完全偏振稳定的设计思路。     

有源层厚度对VCSEL 混沌动力学特性的影响

利用数值模拟的方法研究了有源层厚度对电流调制下垂直腔面半导体激光器(VCSELs)混沌动力学行为的影响。模拟结果表明有源层厚度较小的系统处于稳定的周期1输出状态,有源层厚度较大的系统在有些参数区间会出现阵发性混沌。有源层厚度是影响VCSELs混沌动力学特性的重要结构参数。     

Real-time wavelength reuse based on Bragg trans-reflection for dynamic reference frequency and data transfer in Datacom

ABSTRACT

We experimentally demonstrate the first VCSEL-based all-optical wavelength reuse technique with reconfigurable fibre Bragg grating add and drop multiplexer. EDFA gain saturation and Bragg trans-reflection effect on a single FBG are respectively, adopted for full-duplex reference frequency and data transfer. A 1550 nm energy-efficient VCSEL is modulated with 1.7?GHz clock signal and transferred downstream over 26.6?km fibre OLT attain a phase noise stability of ?54.01 dBc/Hz at 10?kHz offset frequency. A saturated EDFA is exploited to optically reduce the peak-to-peak voltage of the incoming downstream RF, allowing for wavelength reuse with 10?Gbps upstream data. A 1.57 dB transmission penalty is incurred over the transmission fibre. An all-passive OADM is developed exploiting Bragg trans-reflection at 1549.45?nm. The reflected wavelength is routed over another 24.7?km fibre network attaining an extinction ratio of 6.1?dB and a SNR of 5.8?dB. This work provides an all-optical technique for routing and spectral management in flexible networks.     

互注入VCSEL非线性及同步特性的理论研究

考虑到瓦注入耦合特有的非线性效应,建立了互注入式垂直腔面发射激光器（VCSEL）的理论模型,推导了系统注入锁定范围的解析表达式,理论研究了互注入的同步类型以及注入延时对系统非线性行为的影响。结果表明：在激光器参数相同的理想情况下,系统能实现完全同步,此时注入延时会影响VCSEL的运行状态;当存在参数偏差或噪声时,系统能实现延时同步,此时注入延时对同步质量的影响呈阶梯状。仿真结果验证了所推导的锁定范围表达式的正确性,发现注入锁定范围与注入量的平方根成难比。     

980nm垂直腔面发射激光器的外延生长

模拟了垂直腔面发射激光器(VCSEL)的反射谱和量子阱增益谱,采用金属有机物化学气相沉积设备外延生长了980 nm的垂直腔面发射激光器,制作了氧化孔径为14 μm的内腔式氧化限制型VCSEL器件,其阈值电流为3.3mA,阈值电压为1.8V,斜率效率为0.387 W/A,室温直流电流为22.8 mA时,输出光功率为5 mW.     

垂直腔面发射激光器的动态特性分析

本文给出了动态的垂直腔面发射速率方程,并由此推出了瞬态下的衰减因子和张弛振荡频率和计算公式,以及小信号调制下的光子、载流子的响应函数表达式。计算结果表明,在瞬态下衰减因子随β的增加明显变大,它使张弛振荡过程变短;在小信号调制下,多量子阱的周期增益结构比一般的垂直腔面发射结构有更大的调制带宽。     

AlxGa1-xAs选择性湿法氧化技术的研究

详细研究了温度和Al组分与AlxGa1-xAs横向氧化速率的关系,通过分析氧化机制和实验得到的氧化宽度与时间的线性关系,指出在较短时间内的氧化为受AlxGa1-xAs材料与水汽反应速率限制的过程。运用优化的氧化条件,成功制备了氧化孔径为8μm的垂直腔面发射激光器,最大直流光输出功率为3.2mW,激射波长为978nm,工作电流为15mA。     

795nm单模垂直腔面发射激光器

针对铷原予能级跃迁对光谱的特殊需求,设计并制备了795 nm单模垂直腔面发射激光器(VCSEL).根据对VCSEL的光场和模式的分析和计算结果,设计了单模VCSEL芯片结构.采用MOCVD技术生长了外延结构,制备了不同有源区直径的氧化限制型VCSEL芯片并进行了测试.当有源区直径从6 μm减小到3μm时,VCSEL芯片的边模抑制比(SMSR)由8.76 dB增加到34.05 dB,阈值电流由0.77 mA减小到0.35 mA.有源区直径为6,5,4和3μm的VCSEL芯片的输出功率分别为0.37,0.46,0.58和0.44 mW,有源区直径为4μm的VCSEL芯片的远场为圆形光束,发散角为15°.85℃时3.5 μm有源区直径的VCSEL芯片输出功率为0.125 mW,激射波长为795.3 nm.室温3 dB带宽大于8 GHz,满足了铷原子传感器对VCSEL单模光谱、输出功率及调制速率的要求.