垂直腔面發(fā)射激光器陣列光束的空間傳輸特性

朱子軍，劉玉東，惠武，王丙辛，張峰，關(guān)寶璐

（北京工業(yè)大學(xué) 光電子技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124）

0 引言

垂直腔面發(fā)射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）陣列具有高集成度、高調(diào)制帶寬、高輸出功率、快速響應(yīng)和可單獨(dú)尋址等優(yōu)點(diǎn)［1-4］，因此被廣泛地運(yùn)用于并行光互連，3D 識(shí)別與傳感，高分辨率打印等領(lǐng)域［5-9］。特別是隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)激光器陣列光源光束質(zhì)量提出了更高的要求［10-12］。例如，為了抑制散斑現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)高空間分辨率、高對(duì)比度共聚焦顯微干涉探測(cè)，要求VCSEL 陣列光源具有低空間相干的平頂光束輸出；在生物細(xì)胞光學(xué)捕獲和微操作中，為了產(chǎn)生光鑷陣列效應(yīng)，VCSEL 陣列的光束需要調(diào)控為拉蓋爾-高斯空心圓環(huán)狀分布，VCSEL 及其陣列的光束分布及空間相干性受到越來越多人們的關(guān)注［13-15］。KNITTER S 等研制了一種電泵半導(dǎo)體簡(jiǎn)并VCSEL，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射激光的空間相干性，可以在低和高之間切換：低空間相干性照明實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)高速無散斑成像，高空間相干性照明實(shí)現(xiàn)激光散斑對(duì)比成像［16］。BIRKBECK A L 等利用3×3 VCSEL 陣列產(chǎn)生拉蓋爾-高斯光束形成光鑷陣列，實(shí)現(xiàn)了多細(xì)胞靈活操作［17］。REDDING B 等將VCSEL 陣列作為多模光纖耦合全場(chǎng)干涉共聚焦顯微鏡的光源，實(shí)現(xiàn)了100 μs 的高速高對(duì)比度圖像采集［18］。同樣，在自由空間光通信中，激光的光束分布和空間相干性與其在類湍流大氣散射媒介中傳輸?shù)墓馐箤?、光斑漂移及光?qiáng)閃爍等擾動(dòng)效應(yīng)密切相關(guān)。CAI Yangjian 等研究了部分相干激光陣列光束在湍流大氣中的平均強(qiáng)度和傳播特性［19-20］，EYYUBOGLUH T 等研究了湍流大氣中激光陣列光束的閃爍特性［21］，SHIRAI T 等利用部分相干光束的相干模式分解，研究了光束在湍流介質(zhì)中的光束展寬和平均光強(qiáng)分布［22］，因此，研究陣列光源的空間相干性及光場(chǎng)分布對(duì)優(yōu)化其傳輸特性有重要意義。但CAI Yangjian、EYYUBOGLUH T、SHIRAI T 的研究均從建模仿真的角度對(duì)激光光束進(jìn)行分析，未針對(duì)VCSEL 陣列光源開展具體實(shí)驗(yàn)研究。在實(shí)際應(yīng)用中，隨著VCSEL 陣列工作狀態(tài)不同，其輸出光束特性也會(huì)改變。本文從實(shí)驗(yàn)角度詳細(xì)分析了VCSEL 陣列光束的空間相干性對(duì)陣列光束空間傳輸特性的影響。隨著注入電流增加，VCSEL 陣列光束遠(yuǎn)場(chǎng)由圓形光斑變?yōu)榭招沫h(huán)狀光斑，分別表現(xiàn)出類高斯和類拉蓋爾-高斯兩種光場(chǎng)分布，光束空間相干度降低。同時(shí)，通過改變VCSEL 陣列的注入電流，研究了不同空間相干度VCSEL 陣列光束在類湍流大氣散射介質(zhì)中的傳輸特性。與標(biāo)準(zhǔn)相干光源相比，VCSEL 陣列光束在散射介質(zhì)中傳輸時(shí)的光斑擴(kuò)展隨光束包含高階模式數(shù)量的增加而減少，空間相干度較低的VCSEL 陣列光束在散射介質(zhì)中傳輸時(shí)具有更小光束展寬與更低的光強(qiáng)衰減，表現(xiàn)出更好的抗散射性，這為VCSEL 陣列光源在自由空間的應(yīng)用研究提供了新的思路。

1 VCSEL 陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備

VCSEL 陣列截面結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，本實(shí)驗(yàn)使用的20×20 VCSEL 陣列器件結(jié)構(gòu)采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）外延生長(zhǎng)而成。有源區(qū)由3 對(duì)In0.16Ga0.84As/Al0.12Ga0.88As 應(yīng)變量子阱組成，分布式布拉格反射鏡（Distributed Bragg Reflection，DBR）材料為Al0.12Ga0.88As/Al0.9Ga0.1As，上DBR 21 對(duì)，下DBR 39.5 對(duì)，氧化孔徑10 μm，間距為40 μm，陣列單元呈六邊形蜂窩狀排列，中心波長(zhǎng)為940 nm。制備過程為：首先，采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕法（Inductively Coupled Plasma，ICP）制備圓柱形臺(tái)面，暴露高鋁含量氧化限制層；在410 ℃下將Al0.98Ga0.02As 層選擇性濕法氧化得到10 μm 的氧化限制孔并在表面沉積SiO2層作為電隔離層，將出光孔區(qū)域SiO2腐蝕后再次光刻；然后在表面濺射Ti/Au，采用剝離法制備光孔和注入電極，并在背面濺射AuGeNi/Au 作為n 型電極；最后，在380℃下進(jìn)行高溫退火，使電極與半導(dǎo)體材料形成良好的歐姆接觸，如圖1（b）為制備完成后的VCSEL 陣列近場(chǎng)圖片。

圖1 VCSEL 陣列結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 VCSEL array structure diagram

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2（a）為VCSEL 陣列輸出功率特性曲線，VCSEL 陣列的閾值電流為0.4 A，當(dāng)VCSEL 陣列在0.4～1.2 A 連續(xù)電流工作時(shí)，其輸出功率近似成線性增加，斜率效率為0.9 W/A。VCSEL 陣列的光譜反映了出射光束的橫模特性，如圖2（b）所示，VCSEL 陣列光束為各發(fā)光單元出射光束的疊加，當(dāng)VCSEL 陣列工作在閾值電流時(shí)，陣列光束為基模出射，光譜半寬為0.208 nm。隨著注入電流增加，基模增益下降，高階模式被增強(qiáng)，在0.5 A 時(shí)，高階模式的出現(xiàn)使得陣列光譜半寬增大為0.464 nm。此后，VCSEL 陣列光束變?yōu)槎鄼M模出射，平均光譜半寬隨電流變化率為0.6 nm/A。

圖2 VCSEL 陣列的光輸出特性Fig.2 Optical output characteristics of VCSEL array

在不同激勵(lì)電流下，VCSEL 陣列遠(yuǎn)場(chǎng)光斑表現(xiàn)出不同的光場(chǎng)分布，如圖3 所示。在閾值電流下，VCSEL 陣列為基模出射，基模光束的能量分布在發(fā)光孔徑中心且光斑發(fā)散程度小，此時(shí)的陣列遠(yuǎn)場(chǎng)為各發(fā)光單元光束的疊加形成的圓形光斑，光場(chǎng)為高斯分布。隨著注入電流的增加，VCSEL 陣列光束中高階模式逐漸出現(xiàn)，由于高階模式的能量主要集中在發(fā)光孔徑邊緣，VCSEL 陣列光場(chǎng)為類拉蓋爾-高斯空心圓環(huán)狀。此后，由于模式競(jìng)爭(zhēng)，高階模式功率繼續(xù)增加，基模功率被抑制，光束中心光強(qiáng)與邊緣光強(qiáng)差異增大，光束空心程度增加。

圖3 VCSEL 陣列的光場(chǎng)Fig.3 The light field distribution of VCSEL array

VCSEL 陣列光束表現(xiàn)出高斯和拉蓋爾高斯兩種不同光場(chǎng)分布時(shí)，其光束發(fā)散角也會(huì)發(fā)生改變，圖4 為VCSEL 陣列光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角。在閾值電流下，VCSEL 陣列光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角為17°，當(dāng)VCSEL 陣列光場(chǎng)為高斯分布時(shí)，其發(fā)散角隨電流變化率為15.3°/A。隨著注入電流增加，陣列光束中更多的高階橫模的出現(xiàn)導(dǎo)致光束發(fā)散角繼續(xù)增大，在1.2 A 時(shí)，VCSEL 陣列光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角為24.1°，當(dāng)VCSEL 陣列光場(chǎng)為類拉蓋爾-高斯分布時(shí)，其光束發(fā)散角隨電流變化率為3.9°/A。

圖4 不同光場(chǎng)分布下VCSEL 陣列遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角Fig.4 Far-field divergence angle of VCSEL array under different light field distribution

VCSEL 陣列光束在類大氣湍流散射介質(zhì)中傳輸實(shí)驗(yàn)裝置如5 所示，VCSEL 陣列光束經(jīng)透鏡準(zhǔn)直出射，光束經(jīng)過分束鏡后采用雙孔干涉測(cè)量光束的空間相干度μ。當(dāng)光束在大氣中傳輸時(shí)，湍流渦旋會(huì)對(duì)光束產(chǎn)生不同程度的散射和衍射，光束的振幅和相位均會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生光束擴(kuò)展，導(dǎo)致光斑分析儀接收面上光斑半徑及光束截面能量的改變。實(shí)驗(yàn)中采用硅膠散射介質(zhì)模擬大氣湍流的隨機(jī)性和不均勻性，光束在自由空間中光斑半徑為r0，相對(duì)光強(qiáng)為I0，由于散射介質(zhì)作用，經(jīng)過散射介質(zhì)傳輸后的光斑半徑為r1，相對(duì)光強(qiáng)值為I1。采用Spiricon SP920s 光束分析儀記錄VCSEL 陣列遠(yuǎn)場(chǎng)光斑半徑與光強(qiáng)，并計(jì)算傳輸過程中的光束擴(kuò)展率，光強(qiáng)衰減率

圖5 VCSEL 陣列光束在散射介質(zhì)中的傳輸實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.5 Schematic of VCSEL array beam propagation in scattering medium

圖6（a）為經(jīng)過雙孔干涉后測(cè)得VCSEL 陣列光束干涉條紋橫向光強(qiáng)分布，插圖為閾值電流時(shí)的干涉條紋，光強(qiáng)曲線中波峰與波谷分別對(duì)應(yīng)明暗條紋。隨著注入電流的增加，VCSEL 陣列光束強(qiáng)度增加，干涉條紋光強(qiáng)分布曲線中波峰波谷逐漸上移，干涉條紋的整體亮度提升，但波峰與波谷的差值降低，這表現(xiàn)為干涉圖樣中亮條紋和暗條紋的對(duì)比度降低，光束的空間相干性降低。通過計(jì)算干涉條紋的對(duì)比度得到VCSEL陣列光束的空間相干度隨注入電流變化曲線如圖6（b）所示，VCSEL 陣列光束為部分相干光，在閾值電流下，各發(fā)光單元出射基模高斯光束，發(fā)散角小，VCSEL 陣列光束空間相干度為0.695。隨著激勵(lì)電流增加，VCSEL 陣列變?yōu)槎鄼M模激射，光束中包含的高階模式數(shù)量增加，發(fā)散角增大，不同高階模式光波場(chǎng)的非相干使得光束空間相干性降低。

圖6 VCSEL 陣列光束的空間相干性Fig.6 Spatial coherence of VCSEL array beams

圖7 為不同空間相干度光束經(jīng)散射介質(zhì)傳輸?shù)臋M向光強(qiáng)分布，插圖對(duì)應(yīng)傳輸前后的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑。從圖7（a）可以看出，標(biāo)準(zhǔn)相干光源能量分布集中，在散射介質(zhì)中傳輸時(shí)，光束自身會(huì)發(fā)生干涉，傳輸后光斑明顯增大，出現(xiàn)明顯的散斑現(xiàn)象，同時(shí)光強(qiáng)衰減嚴(yán)重。標(biāo)準(zhǔn)相干光源在傳輸過程中光束擴(kuò)展率為40.9%，光強(qiáng)衰減率為34.8%。在不同注入電流下，VCSEL 陣列光束具有不同的空間相干度μ，其在散射介質(zhì)中傳輸狀態(tài)如圖7（b）～（d）所示，VCSEL 陣列光束的光強(qiáng)沒有標(biāo)準(zhǔn)相干光源光強(qiáng)分布集中，但對(duì)比自身光強(qiáng)分布的變化，經(jīng)散射介質(zhì)傳輸后，VCSEL 陣列光束光強(qiáng)衰減明顯小于標(biāo)準(zhǔn)相干光源。這是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)相干光源可以看作單模光場(chǎng)，光束的能量主要通過單一的相干模傳播。在散射介質(zhì)中傳輸時(shí)光斑自身會(huì)發(fā)生干涉，并且光束會(huì)因?yàn)樯⑸湫?yīng)而發(fā)生退化，導(dǎo)致探測(cè)器接收面上的光斑會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)；而VCSEL 陣列光束中包含更多光波模式，由于每個(gè)模式的傳播方式不同，在散射介質(zhì)中傳輸?shù)穆窂礁啵煌Ｊ介g的非相干也有效減弱了遠(yuǎn)場(chǎng)光斑的散斑現(xiàn)象，所以探測(cè)器接收到光斑比較穩(wěn)定，表現(xiàn)出更好的抗干擾性。

圖7 光束傳輸前后光強(qiáng)分布Fig.7 Intensity distribution before and after beam transmission

VCSEL 陣列光束在傳輸前后的光束擴(kuò)展率和光強(qiáng)衰減率如圖8 所示，相比于標(biāo)準(zhǔn)相干光源，VCSEL 陣列光束在傳輸中具有更小光束展寬與更低的光強(qiáng)衰減。在閾值電流下，空間相干度為0.695 的VCSEL 陣列光束在散射介質(zhì)中傳輸?shù)墓馐鴶U(kuò)展率為8.6%，光強(qiáng)衰減24.9%。在光束傳輸過程中，光束中高階模式受介質(zhì)折射率起伏影響產(chǎn)生的光斑擴(kuò)散現(xiàn)象比低階模式小［23］，隨著注入電流的增加，VCSEL 陣列光束由基模出射變?yōu)槎鄼M模出射，光束空間相干度降低。VCSEL 陣列光束在散射介質(zhì)中傳輸時(shí)的光束擴(kuò)展隨光束中包含高階模式數(shù)量的增加而減少。此外，由于模式競(jìng)爭(zhēng)，低階模式功率被抑制，陣列光束能量主要為高階模式功率，光束在傳輸過程中的光強(qiáng)衰減率更小。當(dāng)VCSEL 陣列光束空間相干度降低為0.608 時(shí)，其在散射介質(zhì)中傳輸時(shí)的光束擴(kuò)展率減小為3.4%，光強(qiáng)衰減降低為15%，表現(xiàn)出更好的傳輸特性。但VCSEL 陣列光束空間相干度降低的同時(shí)常伴隨光源發(fā)散角的增大、遠(yuǎn)場(chǎng)光束空心程度的加劇，這對(duì)陣列光源的準(zhǔn)直和光束傳輸后的再整形提出了更多要求。

圖8 VCSEL 陣列光束擴(kuò)展率及光強(qiáng)衰減率Fig.8 VCSEL array beam expansion rate and intensity attenuation rate

3 結(jié)論

本文詳細(xì)分析了不同注入電流下VCSEL 陣列光束的空間相干度和光場(chǎng)分布。VCSEL 陣列光束為各發(fā)光單元疊加形成的部分相干光，其空間相干度隨注入電流的增大而減小。在閾值電流下，VCSEL 陣列光束為基模出射，陣列光場(chǎng)為類高斯圓形光斑，隨著陣列光束轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄼M模出射，VCSEL 陣列光場(chǎng)變?yōu)轭惱w爾-高斯空心環(huán)狀光斑且光束發(fā)散角增大。此外，通過調(diào)控VCSEL 陣列的注入電流得到了不同空間相干度的陣列光束，并研究了其在類湍流大氣散射介質(zhì)中的傳輸特性。不同于標(biāo)準(zhǔn)相干光源，VCSEL 陣列光束通過散射介質(zhì)傳輸時(shí)的光束擴(kuò)展隨光束中高階模式數(shù)量的增加而減少，空間相干度較低的VCSEL 陣列光束在散射介質(zhì)中傳輸時(shí)表現(xiàn)出更小的光束擴(kuò)展及更低的光強(qiáng)衰減，具有更好的傳輸特性，這對(duì)VCSEL 陣列在自由空間光通信中的應(yīng)用研究有重要意義。