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液晶耦合腔实现超窄线宽VCSEL!| 前沿进展

为了匹配精密频率计量、高分辨率光谱学、原子钟等领域的应用需求,开发具有窄线宽、高稳定性的垂直腔面发射激光器(VCSEL)引起了广泛的研究兴趣。但由于其特有的短腔结构,VCSEL具有很宽的本征线宽(50-100 MHz),导致VCSEL线宽压窄一直是技术难题。目前常用的一些线宽压窄方法包括:减小线宽增强因子α、增加谐振腔长度以及采用光反馈技术等,但是大多数线宽压窄方法需要重新设计外延结构,涉及复杂的工艺制备或伴随复杂的外腔扩展系统。因此,亟待开发一种简单有效的方法来实现VCSEL线宽压窄,以满足量子精密测量系统小型化的需求。
近日,北京工业大学关宝璐教授团队,提出了一种胆甾型液晶(CLC)耦合腔VCSEL的创新解决方案,依靠腔内弱光反馈耦合效应,使光子产生相干叠加并显著压窄VCSEL的线宽,实现了2.46 MHz的线宽输出,这是目前报道的线宽最窄、体积最小的微米集成VCSEL。此外,该CLC-VCSEL还具有低阈值电流和增强的光束质量。这种微米级耦合腔VCSEL的思路将为代替复杂系统的光反系统提供指导,所涉及的物理机制和器件制造方法也有希望应用到其他光电器件的光束质量提升。
该成果以“2.46 MHz Ultra-narrow Linewidth Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers with Cholesteric Liquid Crystals Coupled Cavity”为题以封面文章发表在ACS Photonics上,本论文的第一作者是北京工业大学光电子技术教育部重点实验室青年教师崔宁,通讯作者是关宝璐教授。
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设计思路和工作原理
胆甾型液晶(CLC)具有螺旋的分子取向和可定制的螺距范围,当入射光的波长与螺旋结构的间距匹配时,会对圆偏振光产生选择性反射现象,基于此特性,研究人员将其制成CLC薄膜,集成在795 nm VCSEL上表面,在反馈系统中作为反射耦合腔,从而减少反馈系统的体积并增强器件的集成度。在VCSEL耦合腔反馈系统中,反馈光在腔内重新注入激光器,产生相干叠加从而导致线宽减小。此外,腔内的光子耦合可以增强激发辐射,同时抑制自发辐射,这也有助于线宽的压窄。因此,通过精确控制光反馈的强度和相位,可以进一步优化VCSEL激光器性能,从而增强频率稳定性和单模输出特性。
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图1 样品和制备步骤。(a) 窄线宽耦合腔 CLC-VCSEL 的示意图,(b) CLC 薄膜中的光反馈原理,(c) CLC 薄膜中各种材料的分子式,(d)CLC薄膜的制备过程,(e)CLC 薄膜的形貌,(f) CLC 薄膜的透射光谱
CLC耦合腔VCSEL输出特性
实验中,探究了不同CLC耦合腔长对VCSEL输出特性的影响,结果显示,VCSEL表现出阈值电流的降低,并且由于CLC薄膜的选择反射特性,VCSEL的斜率效率和输出功率也呈现一些下降。其中,强的光反馈作用会在VCSEL中表现出明显的功率振荡效应。在反馈光的耦合作用下,CLC-VCSEL A和B的输出光谱均由多模转变为单模输出,从而提高了 VCSEL输出的质量。由于CLC-VCSEL C的反馈腔较长,反馈作用减弱,在引入光反馈前后,输出光谱没有观察到显着变化。
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图2 不同VCSEL 耦合腔长集成CLC薄膜前后的输出特性。(a) Le = 50 μm,(b) Le = 150 μm,(c) Le = 250 μm。输出光谱特性(d) Le = 50 μm,(e) Le = 150 μm,(f) Le = 250 μm
CLC耦合腔VCSEL线宽压窄特性
研究人员利用法布里-珀罗(FP)干涉仪线宽测试系统研究了CLC光反馈对激光器线宽特性的影响。测量了150 μm耦合腔VCSEL在不同作电流下集成CLC前后的线宽特性。数据表明,CLC薄膜提供的光反馈显着缩小了VCSEL的线宽,与原始VCSEL相比,在应用光反馈后,CLC-VCSEL的线宽平均压窄了55.8%。
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图3 FP 干涉仪线宽测量系统示意图和 CLC集成 VCSEL 的图像。VCSEL 在不同工作电流下的 FP 干涉仪传输光谱:(b)集成 CLC薄膜前,(c)集成 CLC 薄膜后,(d) 不同工作电流下线宽随反向功率 (1/P) 的变化
为了定性分析集成CLC光反馈的影响,研究人员使用精密载物台将CLC薄膜和VCSEL之间的反馈距离从80 μm系统调整到440 μm,CLC-VCSEL可以在100至200 μm的腔长范围内保持小于5 MHz的线宽。并且在120 μm腔长下,实现了2.46 MHz的极窄线宽,这是迄今为止微米级集成耦合腔VCSEL实现的最窄线宽记录。此外,在微型原子钟 (MAC) 中,圆偏振辐射是诱导相干种群俘获(CPT)的必要条件,在VCSEL器件中集成的CLC薄膜有助于直接产生圆偏振光,这在原子传感中非常具有吸引力。
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图4 (a)在 1 mA 工作电流下,激光线宽随不同Le的变化,红色星号表示线宽测量的最小数据。(b)最窄线宽数据和相应的Lorenzian拟合曲线。(c)VCSEL和CLC-VCSEL的极化特性
总结与展望
本研究提出了一种利用圆二色性CLC薄膜缩小VCSELs线宽的方法,无需复杂的光反馈系统,具有低成本、简单易操作的特点。CLC薄膜的反射特性和耦合腔的长度是实现稳定有效的线宽变窄的关键因素。这种微米级耦合腔VCSEL将为开发下一代VCSEL和CLC调制集成封装提供更多可能性。此外,CLCs光反馈技术还可以应用于其他光电器件,为代替复杂系统的光反馈系统提供有价值的指导。
论文信息:
Ning Cui. et al. , 2.46 MHz Ultra-narrow Linewidth Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers with Cholesteric Liquid Crystals Coupled Cavity. ACS Photonics, 2025, 12, 2, 737–746.

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