基于量子点光源的Fibonacci光子准晶垂直腔面发射激光器

摘要

半导体激光器是目前生产量最大的激光器，其应用领域十分广泛。普通半导体激光器的缺点是发散角很大，往往需要透镜系统来聚束。垂直腔面发射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，简称VCSEL）是一种激光出射方向与腔面垂直的半导体激光器。但其也具有较大的发散角，限制了它在很多领域的应用。在VCSEL的基础上采用量子点发光结构光源具有性能高、体积小、成本低的优点。同时，与传统的分布式布拉格反射（Distributed Bragg Reflection，简称DBR）谐振腔相比，由光子准晶排列构成的谐振腔在结构上具有多样性，这就表明了其在独特结构中能展现出不同以往的特性。在光源底部采用光子准晶结构组成的全反射镜，顶部采用光子准晶结构的透射镜，这一设计的结构简单、体积较小，也有利于减小发散角。 本文研究的是一种特殊的VCSEL，它是由光谱中心为460nm的量子点光源和Fibonacci光子准晶（Fibonacci photon quasicrystalline，简称FPQC）结构的谐振腔构成的。它具备了小体积、低成本、小发散角等优点。本文的具体研究内容如下： 1.量子点光源的设计，为所研究的VCSEL提供可以调节光谱中心波长的光源，同时具备了小体积、低阈值的特点：（1）通过有限元法设计计算了量子点的发光模型，并根据掺杂材料的浓度占比不同确定了所需发光谱。（2）为了确定光源的阈值（即激光器的阈值电流和电压），分别从不同电压下光谱的急剧变化和光源结构的I-U曲线斜率确定了阈值的准确数值。 2.光子准晶谐振腔的设计，以减小激光器的发散角、模场面积和传播过程中的损耗：（1）选取了Fibonacci排列顺序作为准晶结构的顺序，分别通过测量1层，2层，…，10层的准晶结构对应的反射率，确定了反射镜面的层数。之后固定一种材料的厚度，变化另一种的厚度，找出了最大反射率时第二种材料对应的厚度。再采用相同的方法求出最大反射率对应的第一种材料厚度，这样就找到了最大反射率时两种材料各自的厚度。最终得到了光谱中心460nm发光谱的全反射镜。（2）以同样的方法优化透射镜面，在这里主要考虑的是发散角和相对模场面积这两个参数。先确定透射镜面的层数，再确定每一层的具体厚度。于是得到了在460nm的光源下的谐振腔的反射镜面和透射镜面。 3.FPQC谐振腔激光器和DBR谐振腔激光器的参数和对比：（1）介绍了两种激光器的整体结构、阈值。（2）根据文献设计优化了DBR激光器，使之达到了本光源条件下的最佳DBR谐振腔结构。（3）对比了二者的远场发散角、相对模场面积和输出光谱这些参量，进而得出了FPQC谐振腔激光器的优点。此外，作为激光器光源部分的量子点光源，通过改变掺杂浓度可以在可见光范围内得到任意的光谱中心，可以作为许多激光器的光源。同时，VCSEL谐振腔单侧的460nm全反射镜面，具有Fibonacci准晶结构、较小的体积，可以应用于射频识别、天线、传感器等领域。最终形成的FPQC谐振腔的VCSEL可以应用于小发散角的激光器领域。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 VCSEL的研究现状和应用

1.2.1 VCSEL的研究现状

1.2.2 量子点光源VCSEL的研究现状

1.3 本文主要研究内容

2 激光器工作原理及理论基础

2.1 量子点光源的Fibonacci谐振腔激光器

2.1.1 VCSEL

2.1.2 量子点光源阈值与增益原理

2.1.3 Fibonacci光子晶体结构排布

2.1.4 发散角、模场面积计算

2.2 软件仿真与常用数值解法

2.2.1 时域有限差分法

2.2.2 有限元法

2.2.3 平面波法

2.2.4 几种方法的比较

2.3 软件相关数值设置

2.3.1 COMSOL Multiphysics

2.3.2FDTD Solutions

2.4 本章小结

3 VCSEL的设计与优化

3.1 量子点光源

3.1.1 量子点光源结构的设计

3.1.2 掺杂浓度对光谱中心波长的影响

3.1.3 量子点光源的发光谱

3.2 谐振腔反射镜面的设计和优化

3.2.1 反射镜面的层数与反射率的关系

3.2.2 反射镜面的结构厚度设计与优化

3.3 谐振腔透射镜面的设计和优化

3.3.1 透射镜面层数与反射率和相对模场面积的关系

3.3.2 透射镜面的结构厚度设计与优化

3.4 本章小结

4 VCSEL的特性研究

4.1 激光器的整体结构

4.2 激光器的阈值电压和阈值电流

4.3 FPQC激光器与DBR激光器的对比

4.3.1 DBR激光器的结构

4.3.2 远场发散角的对比

4.3.3 相对模场面积的对比

4.3.4 输出光谱对比

4.4 本章小结

5 总结与展望

参考文献

个人简历及在校期间发表学术论文

致谢