基于垂直注入型偏振无关光栅耦合器的偏振切换和注入锁定VCSEL

《Optics & Laser Technology》：Polarization switching and injection locking VCSEL based on vertical injection polarization independent grating coupler

VCSEL阵列中通过单层1D非偏振光栅耦合器实现极化独立的光注入锁定与波长稳定性控制。摘要：提出并实验验证了一种1D极化独立光栅耦合器（PIGC），通过在常规光栅中加入共振槽结构实现TE和TM模式耦合效率补偿。该器件在940nm VCSEL阵列集成中表现出0.02dB极化相关损耗，耦合效率达9.3%。实验表明PIGC可实现主从锁模和极化调制，有效解决高功率VCSEL阵列的极化和波长漂移问题。

　　

崔宁|张伟阳|曹丹|关宝路

教育部光电技术重点实验室，北京工业大学，北京100124，中国

摘要

光注入调制是一种有效的方法，用于提升垂直腔面发射激光器（VCSEL）的输出特性。然而，其性能常常受到偏振失谐和注入光动态变化的限制。在这项工作中，我们提出并实验验证了一种偏振独立的光栅耦合器（PIGC），作为外部光反馈装置，实现了940纳米VCSEL阵列中的同时偏振控制和注入锁定。与基于二维多层结构或斜入射的传统PIGC设计不同，新型PIGC设计通过在常规光栅周期内引入一个简单的一维槽共振光栅，实现了输入/输出的垂直注入。仿真结果显示，其耦合效率分别为10.1%（TE模式）和10.2%（TM模式），偏振依赖损耗（PDL）为0.09 dB。实验中，制备的器件在939.26纳米处实现了0.02 dB的双向耦合PDL和9.3%的双向耦合效率。与可寻址VCSEL阵列集成后，PIGC能够实现稳健的注入锁定和可控的偏振切换。这项工作证明了1D PIGC作为VCSEL阵列中偏振稳定互连的实用解决方案，为相干集成激光系统的发展开辟了可能性。

引言

垂直腔面发射激光器（VCSEL）由于其紧凑的尺寸、快速的响应速度和低功耗，在数据通信以及激光雷达和光学传感等新兴应用中得到了广泛应用[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。然而，在高功率VCSEL阵列中，随着集成单元数量的增加，光束质量会下降，这主要是由于电流不均匀性和横向热耦合[7]、[8]引起的，这些因素会导致波长和偏振不稳定[10]。为了解决这些问题，人们采用了光注入锁定技术来提高相干性[11]、[12]、[13]、抑制偏振跳变[14]、[15]、[16]、[17]，并提升VCSEL的带宽[18]。然而，传统的外部反馈方法通常需要复杂的光学对准，这限制了它们在集成系统中的实用性。

为了实现紧凑的片上光学反馈，将光栅耦合器与VCSEL集成可以有效地提升激光器的相干性、亮度和带宽[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。为此，偏振独立的光栅耦合器至关重要，它可以克服传统光栅的偏振依赖性和VCSEL的偏振不稳定性[24]。之前的集成反馈演示，例如杨等人的工作，将VCSEL与带有垂直光栅的硅芯片结合以实现偏振选择性反馈[25]，仍然依赖于各向异性光栅和定制的封装结构。同时，也开发了专门的偏振独立光栅耦合器（PIGC）设计，如梯度周期光栅[26]、二维结构[27]、[28]、[29]或多层结构[30]、[31]、[32]。尽管这些设计可以实现高效率，但它们通常需要斜入射或涉及复杂的光刻工艺（如多层刻蚀），这对稳健集成和可扩展制造带来了挑战。因此，开发一种简单、单层的光栅结构以实现垂直耦合是一个有吸引力的选择。

在这项工作中，我们展示了一种一维偏振独立光栅耦合器（PIGC），并将其与可寻址VCSEL阵列垂直集成。通过在常规光栅结构中引入共振槽，可以补偿TE模式和TM模式的耦合效率，从而实现偏振独立的输出。在自反馈状态下，观察到了光注入锁定现象，使VCSEL单元的旁模抑制比（SMSR）提高了20 dB。此外，在主从反馈模式下，通过控制主VCSEL（M-VCSEL）的电流，实现了从VCSEL（S-VCSEL）的模式注入锁定和偏振控制。这些结果验证了一种简化且有效的方法，可用于实现可扩展VCSEL阵列中的偏振一致性。

部分摘录

PIGC模式和设计机制

为了实现偏振独立性并满足VCSEL阵列光互连的要求，我们提出了一种适用于940纳米波长的偏振独立光栅耦合器（PIGC），其具有交替周期结构。图1(a)展示了PIGC与2×1 VCSEL阵列的连接示意图。主VCSEL（M-VCSEL）发出的光通过PIGC耦合到相邻的从VCSEL（S-VCSEL），从而影响S-VCSEL单元的输出特性。

PIGC的偏振耦合效率

为了验证所提出PIGC的器件性能，使用感应耦合等离子体化学气相沉积（ICPCVD）技术在石英基底上生长了350纳米厚的Si₃N₄薄膜。PIGC结构通过电子束光刻（EBL）和反应离子刻蚀（RIE）干法刻蚀制成。波导结构通过紫外光刻和RIE干法刻蚀形成蛇形结构。图4(a)展示了PIGC的耦合效率测量系统。

结论

在这项研究中，我们设计、制备并验证了一种单层一维偏振独立光栅耦合器（PIGC），用于VCSEL阵列中的垂直注入锁定和偏振调制。所提出的1D槽共振光栅结构实现了偏振独立的耦合，测得的PDL低至0.02 dB，同时保持了单层刻蚀的简单性。当与6×6可寻址VCSEL阵列集成时，PIGC展示了有效的

CRediT作者贡献声明

崔宁：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、方法论、研究、形式分析、数据管理、概念化。张伟阳：撰写 – 原稿、软件开发、研究。曹丹：撰写 – 审稿与编辑、研究、数据管理。关宝路：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资金获取。

资助

本工作得到了北京市高校基本科研业务费（312000546325001）、国家重点实验室基金（2024-CCLG-ZDSYS-004）、北京市教委（KM202410005028和040000546319525）、国家自然科学基金（60908012、61575008、61775007）以及北京市自然科学基金（4172011）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。