一种自混合传感器中VCSEL的优化设计.doc

1 一种自混合传感器中 VCSEL 的优化设计摘要: 自混合传感器中的垂直腔面发射激光器( VCSEL ), 是其一个重要的组成部分, VCSEL 对自混合传感器的应用有重要影响。为了使自混合信号最大化,我们优化了 VCSE L 的外围设计。其中, 最重要的部分是量子阱数目和布拉格反射镜数目的改变, 以及探测器位置的变化, 本文仿真了带反馈 VCSEL 的光输出能力的变化。关键词:自混合;传感器; VCSEL 0 引言论文联盟。激光器中的自混合是指:外界物体通过外腔返回的反馈光和原来信号进行混合, 改变了激光器发出的激光信号的阈值增益和相位;从而改变了光的斜率效率,输出功率和频谱。在光通信中, 激光器的自混合现象是一个不利因素[1] , 因为它引起的光噪声、谱线展宽、相干碎灭等现象会给激光系统带来致命的破坏。垂直腔面发射激光器的设计中总是以消除自混合现象为一重要内容。然而, 现在自混合现象已经被研究者广泛运用在测量领域[2] ,包括距离测量、速度测量、位移测量等。其高精密度和准确度、无伤测量使之在高精密测量领域很有优势[3] 。微机械悬臂粱的毫微米( 10-10m ) 级别 2 测量,又将成为其一个伟大的应用[4] 。通过优化 VCSEL 外部设计来使自混合信号最大化, 现在还没有相关文献作品出现。根据参考文献[2] , 在光反馈系统中, 输出镜反射率是一个重要参数。在我们的设计中, 从另一个角度利用文献[2] 中的结论, 我们降低输出镜的反射率, 以使我们的设计效果更加明显。但这样也带来负面因素: 损耗急剧增大, 且此损耗不会被量子阱的增益所改善。本文给出一种改善的方法:即通过改进增益材质和反射镜反射率, 很好的优化了自混合信号。根据我们的实验模型, 我们发现, 顶镜和底镜的已调输出光信号的强度有很大区别。这说明只把面向反馈的镜面作为研究对象并不是最好选择。 1 仿真系统我们在激光器和悬臂之间搭建一个微外腔,长度在 35~200 μm; 表面涂有一层薄的有机薄膜(约 50nm )。传感器的悬臂会随着测量对象的状况而震动, 从而, 导致外腔长度(Z )的的变化,反馈光的相位也随外腔长度的变化而周期性的变化, 周期为发出光的半波波长。由此, 我们可以通过测量超过阈值的输出功率,得到毫微米级别的震动信息。(1) h 为普朗克常量;v 为激光频率;q为电子电荷,ηd 为量子效率的微分量, Ith 为阈值电流。调制深度( 或称为可见度) 3 我们定义为: (2) 能见度可以很好的表征处传感器的灵敏度和固有信噪比( 不计外界误差幅度影响), 它将是本文主要的测量对象。由于半导体激光器的设计多集成了光检器[5] ,这样整个传感器会非常的紧凑, 紧固, 简洁, 且更容易实现量产。激光器的结点电压的变化量或者阈值电流可以用万用表记录下来,详见图 1。 2 标准的 VCSEL 结构我们研究的标准的 VCSEL 结构为:由 3个 6nm 的 .08 结构的量子阱发出的 970n m 光的激光器,放置一个 38 电子偶的底端分布式布拉格反射镜和一个 23 电子偶的顶端分布式布拉格反射镜( AlxGa1-xAs,x:- ) 之间。我们之所以选择这种材质, 是因为这种 InGaAs 的紧凑结构有高的增益,且使底层