VCSEL技术及其在光互连中的应用

垂直腔表面发射激光器（VCSELs）是并行光互连、高速光交换系统中最合适的光源。它具有易耦合、易封装和测试的优点。由于其独特的性能，可以较为方便地制作二维激光器阵列。基于VCSEL阵列的光电混合集成及并行光互连是当前的研究热点。本文介绍了VCSEL基本结构及设计中的关键技术，并对VCSEL在光互连中的应用进行了研究。     

高功率垂直腔面发射激光器

垂直腔面发射激光器(VCSEL)技术在20世纪90年代走向成熟并开始工业化生产,数据通信是VCSEL的第1个规模化产品应用市场.2001年对于VCSEL而言是一个转折点,这一年数据通信由高峰走入低谷,但VCSEL的生产厂家和用户却从VCSEL的优异性能中看到了其在非数据通信领域应用的光明前景.在工业应用方面,VCSEL作为激光光源现已广泛应用于气体传感器中,通过测量气体对激光的吸收光谱可以确定某种气体(O2等)的浓度.在最为人们所看好的人机界面领域,VCSEL以价格低廉、易于批量生产和性能优异的特点打入了鼠标市场,以VCSEL制成的激光鼠标已经成为主流产品,年产量巨大.现在摆在VCSEL面前的还有一个发展前景广阔的领域:高功率脉冲激光器应用市场.要想进入这一市场,VCSEL必须具备2个方面的优势:低成本和高性能.本文主要讨论了VCSEL在高功率脉冲激光器方面的应用,内容包括VCSEL的制造技术、装配解决方案、产品的性能和可靠性,另外还介绍了VCSEL瞄准的市场目标及其发展潜力.     

910 nm高峰值功率垂直腔面发射激光光源

报道了910 nm高峰值功率垂直腔面发射半导体激光器列阵(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)的设计方法及测试结果.所制备的910 nm VCSEL列阵在准连续工作时激光功率达到2 W;在重复频率10 kHz,脉冲宽度30 ns,工作电流60 A的电脉冲驱动条件下,VCSEL列阵峰值输出功率达到25.5 W.随着工作电流的增加,VCSEL列阵输出的激光光谱呈现明显办展宽现象,证实VCSEL列阵即使在窄脉冲工作时大的电流驱动仍然会产生严重的内部热效应;VCSEL列阵输出激光的光脉冲波形在驱动电流增大至60 A时脉宽仅展宽了6 ns左右,证实VCSEL阵列具有非常优越的脉冲响应特性.对VCSEL列阵进行光束准直处理后,在1 m距离处得到了近圆形的均匀光斑.我们相信这种高功率的910 nm面阵光源在未来汽车光探测测距(LiDAR)等智能驾驶领域具有很大的应用潜力.     

新型正方晶格基横模光子晶体面发射激光器

高功率基横模垂直腔面发射激光器（VCSEL）在光通信、传感、原子频标和光电混合集成等领域有着重要的应用,将光子晶体结构引入到VCSEL中,通过设计结构尺寸和分布,可以有效控制VCSEL的横向模式。课题组将正方形排列的光子晶体结构引入到VCSEL中,实现对VCSEL的横向模式和基横模出光功率控制,获得高基横模出光功率器件。通过采用平面波展开法（PWE）和全矢量三维时域有限差分方法（FDTD）对正方晶格结构光子晶体的合理设计,获得正方形排布光子晶体周期、占空比和刻蚀深度等重要参数。成功地制备出基横模出光功率大于3 mW,边模抑制比大于40 dB的正方晶格光子晶体VCSEL。     

光子晶体垂直腔面发射激光器的研究进展

单模垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有低功耗、小发散角、高调制带宽和易于二维集成等优点,在光互连、光存储、高速激光打印和长波通讯等方向有着很好的应用前景。调节VCSEL顶部和底部反射层的结构可以很容易地实现单纵模条件,然而要实现横向单模输出,就要同时对出射光加以横向限制。在VCSEL的顶部反射层刻蚀出二维光子晶体结构构成的光子晶体VCSEL实现了稳定的单横模激光输出。介绍了光子晶体VCSEL的基本结构、工作原理、研究进展和应用领域,并探讨了如何使光子晶体VCSEL获得更高的出光功率、控制激光偏振特性和减小发散角等问题。最后评述了光子晶体VCSEL的国内研究现状,并对未来的研究做了展望。     

850 nm高速垂直腔面发射激光器技术研究进展（特邀）

垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有低成本、低阈值、高速率和低功耗等优点,在短距离光互连中有着重要的应用。随着大数据、超级计算机技术的发展,短距离光互连性能需求越来越高,从而对高速调制的850 nm VCSEL技术提出了更高要求。从带宽限制机理、调制新方法两方面详细回顾了高速850 nm VCSEL技术最新进展,对技术发展趋势进行了总结与展望。     

光注入光反馈下VCSEL非线性输出特性分析

为了研究光注入和光反馈对垂直腔面发射激光器(VCSEL)非线性输出特性的影响,基于自旋反转模型(SFM),利用MATLAB数值仿真二者共同作用下VCSEL的非线性输出特性.研究结果表明:在光注入和光反馈同时作用下,VCSEL输出可以实现稳态、单周期、多周期、混沌等非线性行为.通过合理选择注入强度,可实现对VCSEL输出行为的控制.     

高功率VCSEL激光器光束发散角的测量方法

垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,简称VCSEL)由于其能发射出垂直于腔面光束的特性使得多个VCSEL激光器可以在同一片芯片上紧密集成,而不需要大量的空间;且VCSEL激光器使用共振腔的反射镜来增强光并放大,从而实现高效的光发射;通常情况下,VCSEL激光器的发光效率可以达到40至60之间,与传统的激光器相比,VCSEL激光器更容易实现高效率。由于VCSEL激光器的可集成性好、效率高等特点,使其广泛应用于3D感知、自动驾驶、光通信等领域。因此,VCSEL激光器的质量检测工作也显得越来越重要。随着VCSEL激光器进军高功率领域,其发光束的模式也经历了从基模变为高阶模的过程,光束已经从类高斯光束变为了类拉盖尔-高斯空心圆环光束。虽然传统的1/e2、D86等算法在测量基模下的类高斯光束的发散角较为精确,但对于高阶模式下的类拉盖尔-高斯空心圆环光束,这些方法则出现了明显的误差。考虑到VCSEL激光器在自动驾驶等重要领域的广泛应用,其光束精确度的要求也随之提高。因此,本文采用了D4σ算法,针对类拉盖尔-高斯空心圆环光束进行发散角测量,与1/e2、D86等传统算法进行了比较。结果显示,新方法在发散角测量准确度上最高提升了230。     

VCSEL在光通信中的应用进展

综合介绍了VCSEL在光通信中的应用。随着下一代以太网标准的出台,本文还结合下一代光网络的需求,介绍了VCSEL在这一领域的开发和应用现状。     

VCSEL技术与并行光互联

介绍了VCSEL结构和技术特点，它以很高的性能价值比成功地应用于单通道和并行光互联，并将在宽带以太网、高速数据通信网中得到广泛的应用，以VCSEL为基础器件的高速大容量、高并行处理功能的光互连、光交换系统有着极好的应用前景。     

圆周型光斑模式转换器

提出了一种圆周型光斑模式转换器--透明玻璃圆锥体,根据光的全反射原理论证了光在该圆锥体中的传输规律和对光束光斑模式的转换原理.利用光线追迹方法模拟了光在光斑模式转换器中的传输过程和对光斑模式的转换效果.结果显示圆锥体的顶角等于一系列特定值时,垂直圆锥体底面入射的光束经过该圆锥体后光束沿着其母线方向出射,在垂直于圆锥体轴线的平面上形成一圆周型光斑,其光能量全部集中在圆周上.圆周型光斑模式转换器还可以与透镜结合使用,只改变光斑模式而不改变光束的传输方向.该圆周型光斑模式转换器具有结构简单、容易制造、能量损失小等优点.     

微波等离子体光源研究

微波等离子光源（LEP）是利用微波激发等离子体发光的无极放电光源。由于其热光源的发光特性,决定了其光谱分布连续,并且接近太阳光光谱,是国际公认的高效、节能、高品质光源。LEP采用无电极发光模式,消除了传统的照明技术中的失效模式和光通量退化,即使长时间使用,也不会因为电极失效或内壁变暗而影响系统性能。本文首先分析微波等离子体光源的基本构成和工作原理,然后简要描述该光源的发光特性和优势,以及典型的应用领域,最后介绍作者在微波等离子体光源研究方面的进展。     

用熵描述非线性光传输的解析分析

本文给出了光函数熵的定义，解析推导了几种具体情况下光的熵，结果表明，熵的方法能用于描述光传输过程：熵变化率大于零时，光函数波形展宽（发散）；熵变化率小于零时，光函数波形压缩（聚焦）。     

光纤慢光与全光通信技术

全光通信技术是当前的研究热点,而全光缓存器及高速光开关是全光通信技术的两个必备条件.实现全光缓存就必须减慢光速,因此,文章首先综述了国内外慢光技术的演变历程,然后阐述了光纤慢光技术及其在高速全光通信中的应用研究情况,最后提出了当前光纤慢光研究的难点,以及光纤慢光研究对全光通信技术的战略意义.     

LED半导体照明光源在情景照明中的应用

作为半导体照明的LED,从其诞生之日起就有飞速发展。LED光源照明性能的提高使得对其应用价值的探讨得到提升。随着城市的建设的发展,城市夜景灯光逐步走上正轨。许多城市开始了城市夜景专项规划。也有许多城市实行了专家审核批准制度。城市灯光正在由过去的盲动、无序转向有机、景观照明方向上来。本文从今日LED光源本身的特点和可预计前景出发,对这种照明在情景照明领域的价值予以探讨。     

一种改善LED显示屏亮度均匀性的算法

基于显示屏控制技术与校正原理,提出了一种改善LED显示屏亮度均匀性的算法.通过CCD相机采集显示屏RGB图像,用数学形态学和模板匹配法确定灯点的位置并根据发光区域的灰度值计算其相对亮度,生成每个灯点的校正参数,用脉冲宽度调制控制灯点的亮度.实验结果表明提出的算法能有效改善显示屏的亮度均匀性,提高显示屏的显示质量并延长其使用寿命.     

基于亚波长金属结构的大数值孔径透镜

为了实现轻量化的大数值孔径红外透镜,基于模式耦合理论,建立了金属薄膜上方形孔对入射光场相位调制与方孔边长尺寸、深度的关系,在此基础上,提出了一种可实现大数值孔径的亚波长金属结构薄膜透镜.采用数值模拟方法对此透镜的聚焦特性进行了模拟仿真,结果表明:对于10.6μm的入射波长,口径尺寸为300μm的透镜可实现半高全宽仅为4μm的聚焦光斑,其等效的数值孔径高达3.3,充分证明了这类透镜在实现大数值孔径方面的优势,为设计轻量化的高分辨红外光学元件提供了新的方法.     

利用光纤延时实现光速测定的实验研究

介绍了光纤延时法实现光速测定的实验设计思想。利用光纤对溴化亚铜激光器输出的脉冲激光进于延时，通过常规测长手段测得光纤的几何长度并用示波器测出两相邻光脉冲间的时间间隔，即可获得光速。     

用熵描述非线性光传输的数字模拟解

本文给出光函数熵的定义，用数值模拟了几种具体情况下光的熵，结果表明，熵的方法确实能用于描述光传输过程；熵对传输方向的变化率等于零时，光函数（光脉冲或光束）波形保持不变；熵变化率大于零时，光函数波形展宽（发散），熵变化率小于零时，光函数波形压缩（聚焦）。用熵表征非线性光传输优于用脉（束）宽、二阶矩表征。     

Measurement of gain saturation coefficient of a DFB laser forlasing mode control by orthogonal polarization light

The frequency response of a 1.55-μm distributed feedback (DFB) laser is measured by injecting light which has an orthogonal polarization to the laser's lasing mode. The injected light, termed as orthogonal polarization light, is carefully selected to not couple to the lasing mode by adjusting its polarization to be orthogonal to that of the lasing mode and by setting its wavelength slightly different from that of the lasing mode. The wavelength of the orthogonal polarization light, however, is set within the range where the laser's active layer has a gain. The gain saturation coefficients for the lasing light are estimated to be 4.7×10^-23 cm² and that by the injected orthogonal polarization light (almost the same wavelength as the lasing mode) are 3.7×10^-23 cm², respectively