垂直腔面發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，關寶璐

（北京工業大學 光電子技術教育部重點實驗室，北京 100124）

0 引言

垂直腔面發射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）陣列具有高集成度、高調制帶寬、高輸出功率、快速響應和可單獨尋址等優點［1-4］，因此被廣泛地運用于并行光互連，3D 識別與傳感，高分辨率打印等領域［5-9］。特別是隨著科學技術的不斷發展，對激光器陣列光源光束質量提出了更高的要求［10-12］。例如，為了抑制散斑現象，實現高空間分辨率、高對比度共聚焦顯微干涉探測，要求VCSEL 陣列光源具有低空間相干的平頂光束輸出；在生物細胞光學捕獲和微操作中，為了產生光鑷陣列效應，VCSEL 陣列的光束需要調控為拉蓋爾-高斯空心圓環狀分布，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注［13-15］。KNITTER S 等研制了一種電泵半導體簡并VCSEL，實現了發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現動態高速無散斑成像，高空間相干性照明實現激光散斑對比成像［16］。BIRKBECK A L 等利用3×3 VCSEL 陣列產生拉蓋爾-高斯光束形成光鑷陣列，實現了多細胞靈活操作［17］。REDDING B 等將VCSEL 陣列作為多模光纖耦合全場干涉共聚焦顯微鏡的光源，實現了100 μs 的高速高對比度圖像采集［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的光束展寬、光斑漂移及光強閃爍等擾動效應密切相關。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中的光束展寬和平均光強分布［22］，因此，研究陣列光源的空間相干性及光場分布對優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激光光束進行分析，未針對VCSEL 陣列光源開展具體實驗研究。在實際應用中，隨著VCSEL 陣列工作狀態不同，其輸出光束特性也會改變。本文從實驗角度詳細分析了VCSEL 陣列光束的空間相干性對陣列光束空間傳輸特性的影響。隨著注入電流增加，VCSEL 陣列光束遠場由圓形光斑變為空心環狀光斑，分別表現出類高斯和類拉蓋爾-高斯兩種光場分布，光束空間相干度降低。同時，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中的傳輸特性。與標準相干光源相比，VCSEL 陣列光束在散射介質中傳輸時的光斑擴展隨光束包含高階模式數量的增加而減少，空間相干度較低的VCSEL 陣列光束在散射介質中傳輸時具有更小光束展寬與更低的光強衰減，表現出更好的抗散射性，這為VCSEL 陣列光源在自由空間的應用研究提供了新的思路。

1 VCSEL 陣列結構設計與制備

VCSEL 陣列截面結構如圖1（a）所示，本實驗使用的20×20 VCSEL 陣列器件結構采用金屬有機化學氣相沉積法（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）外延生長而成。有源區由3 對In0.16Ga0.84As/Al0.12Ga0.88As 應變量子阱組成，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，下DBR 39.5 對，氧化孔徑10 μm，間距為40 μm，陣列單元呈六邊形蜂窩狀排列，中心波長為940 nm。制備過程為：首先，采用感應耦合等離子體刻蝕法（Inductively Coupled Plasma，ICP）制備圓柱形臺面，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℃下進行高溫退火，使電極與半導體材料形成良好的歐姆接觸，如圖1（b）為制備完成后的VCSEL 陣列近場圖片。

圖1 VCSEL 陣列結構示意圖Fig.1 VCSEL array structure diagram

2 實驗結果與分析

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VCSEL 陣列在0.4～1.2 A 連續電流工作時，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 陣列光束為各發光單元出射光束的疊加，當VCSEL 陣列工作在閾值電流時，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，在0.5 A 時，高階模式的出現使得陣列光譜半寬增大為0.464 nm。此后，VCSEL 陣列光束變為多橫模出射，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

在不同激勵電流下，VCSEL 陣列遠場光斑表現出不同的光場分布，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光孔徑中心且光斑發散程度小，此時的陣列遠場為各發光單元光束的疊加形成的圓形光斑，光場為高斯分布。隨著注入電流的增加，VCSEL 陣列光束中高階模式逐漸出現，由于高階模式的能量主要集中在發光孔徑邊緣，VCSEL 陣列光場為類拉蓋爾-高斯空心圓環狀。此后，由于模式競爭，高階模式功率繼續增加，基模功率被抑制，光束中心光強與邊緣光強差異增大，光束空心程度增加。

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

VCSEL 陣列光束表現出高斯和拉蓋爾高斯兩種不同光場分布時，其光束發散角也會發生改變，圖4 為VCSEL 陣列光束遠場發散角。在閾值電流下，VCSEL 陣列光束的遠場發散角為17°，當VCSEL 陣列光場為高斯分布時，其發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導致光束發散角繼續增大，在1.2 A 時，VCSEL 陣列光束的遠場發散角為24.1°，當VCSEL 陣列光場為類拉蓋爾-高斯分布時，其光束發散角隨電流變化率為3.9°/A。

圖4 不同光場分布下VCSEL 陣列遠場發散角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中傳輸實驗裝置如5 所示，VCSEL 陣列光束經透鏡準直出射，光束經過分束鏡后采用雙孔干涉測量光束的空間相干度μ。當光束在大氣中傳輸時，湍流渦旋會對光束產生不同程度的散射和衍射，光束的振幅和相位均會發生變化，產生光束擴展，導致光斑分析儀接收面上光斑半徑及光束截面能量的改變。實驗中采用硅膠散射介質模擬大氣湍流的隨機性和不均勻性，光束在自由空間中光斑半徑為r0，相對光強為I0，由于散射介質作用，經過散射介質傳輸后的光斑半徑為r1，相對光強值為I1。采用Spiricon SP920s 光束分析儀記錄VCSEL 陣列遠場光斑半徑與光強，并計算傳輸過程中的光束擴展率，光強衰減率

圖5 VCSEL 陣列光束在散射介質中的傳輸實驗裝置圖Fig.5 Schematic of VCSEL array beam propagation in scattering medium

圖6（a）為經過雙孔干涉后測得VCSEL 陣列光束干涉條紋橫向光強分布，插圖為閾值電流時的干涉條紋，光強曲線中波峰與波谷分別對應明暗條紋。隨著注入電流的增加，VCSEL 陣列光束強度增加，干涉條紋光強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，這表現為干涉圖樣中亮條紋和暗條紋的對比度降低，光束的空間相干性降低。通過計算干涉條紋的對比度得到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，各發光單元出射基模高斯光束，發散角小，VCSEL 陣列光束空間相干度為0.695。隨著激勵電流增加，VCSEL 陣列變為多橫模激射，光束中包含的高階模式數量增加，發散角增大，不同高階模式光波場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散射介質傳輸的橫向光強分布，插圖對應傳輸前后的遠場光斑。從圖7（a）可以看出，標準相干光源能量分布集中，在散射介質中傳輸時，光束自身會發生干涉，傳輸后光斑明顯增大，出現明顯的散斑現象，同時光強衰減嚴重。標準相干光源在傳輸過程中光束擴展率為40.9%，光強衰減率為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，其在散射介質中傳輸狀態如圖7（b）～（d）所示，VCSEL 陣列光束的光強沒有標準相干光源光強分布集中，但對比自身光強分布的變化，經散射介質傳輸后，VCSEL 陣列光束光強衰減明顯小于標準相干光源。這是因為標準相干光源可以看作單模光場，光束的能量主要通過單一的相干模傳播。在散射介質中傳輸時光斑自身會發生干涉，并且光束會因為散射效應而發生退化，導致探測器接收面上的光斑會產生抖動；而VCSEL 陣列光束中包含更多光波模式，由于每個模式的傳播方式不同，在散射介質中傳輸的路徑更多，不同模式間的非相干也有效減弱了遠場光斑的散斑現象，所以探測器接收到光斑比較穩定，表現出更好的抗干擾性。

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

VCSEL 陣列光束在傳輸前后的光束擴展率和光強衰減率如圖8 所示，相比于標準相干光源，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中傳輸的光束擴展率為8.6%，光強衰減24.9%。在光束傳輸過程中，光束中高階模式受介質折射率起伏影響產生的光斑擴散現象比低階模式?。?3］，隨著注入電流的增加，VCSEL 陣列光束由基模出射變為多橫模出射，光束空間相干度降低。VCSEL 陣列光束在散射介質中傳輸時的光束擴展隨光束中包含高階模式數量的增加而減少。此外，由于模式競爭，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衰減率更小。當VCSEL 陣列光束空間相干度降低為0.608 時，其在散射介質中傳輸時的光束擴展率減小為3.4%，光強衰減降低為15%，表現出更好的傳輸特性。但VCSEL 陣列光束空間相干度降低的同時常伴隨光源發散角的增大、遠場光束空心程度的加劇，這對陣列光源的準直和光束傳輸后的再整形提出了更多要求。

圖8 VCSEL 陣列光束擴展率及光強衰減率Fig.8 VCSEL array beam expansion rate and intensity attenuation rate

3 結論

本文詳細分析了不同注入電流下VCSEL 陣列光束的空間相干度和光場分布。VCSEL 陣列光束為各發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，陣列光場為類高斯圓形光斑，隨著陣列光束轉變為多橫模出射，VCSEL 陣列光場變為類拉蓋爾-高斯空心環狀光斑且光束發散角增大。此外，通過調控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中的傳輸特性。不同于標準相干光源，VCSEL 陣列光束通過散射介質傳輸時的光束擴展隨光束中高階模式數量的增加而減少，空間相干度較低的VCSEL 陣列光束在散射介質中傳輸時表現出更小的光束擴展及更低的光強衰減，具有更好的傳輸特性，這對VCSEL 陣列在自由空間光通信中的應用研究有重要意義。