垂直腔面发射激光器阵列光束的空间传输特性
0 引言
垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)阵列具有高集成度、高调制带宽、高输出功率、快速响应和可单独寻址等优点[1-4],因此被广泛地运用于并行光互连,3D识别与传感,高分辨率打印等领域[5-9]。特别是随着科学技术的不断发展,对激光器阵列光源光束质量提出了更高的要求[10-12]。例如,为了抑制散斑现象,实现高空间分辨率、高对比度共聚焦显微干涉探测,要求VCSEL阵列光源具有低空间相干的平顶光束输出;在生物细胞光学捕获和微操作中,为了产生光镊阵列效应,VCSEL阵列的光束需要调控为拉盖尔-高斯空心圆环状分布,VCSEL及其阵列的光束分布及空间相干性受到越来越多人们的关注[13-15]。KNITTER S等研制了一种电泵半导体简并VCSEL,实现了发射激光的空间相干性,可以在低和高之间切换:低空间相干性照明实现动态高速无散斑成像,高空间相干性照明实现激光散斑对比成像[16]。BIRKBECK A L等利用3×3 VCSEL阵列产生拉盖尔-高斯光束形成光镊阵列,实现了多细胞灵活操作[17]。REDDING B等将VCSEL阵列作为多模光纤耦合全场干涉共聚焦显微镜的光源,实现了100 µs的高速高对比度图像采集[18]。同样,在自由空间光通信中,激光的光束分布和空间相干性与其在类湍流大气散射媒介中传输的光束展宽、光斑漂移及光强闪烁等扰动效应密切相关。CAI Yangjian等研究了部分相干激光阵列光束在湍流大气中的平均强度和传播特性[19-20],EYYUBOGLUH T等研究了湍流大气中激光阵列光束的闪烁特性[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质中的光束展宽和平均光强分布[22],因此,研究阵列光源的空间相干性及光场分布对优化其传输特性有重要意义。但CAI Yangjian、EYYUBOGLUH T、SHIRAI T的研究均从建模仿真的角度对激光光束进行分析,未针对VCSEL阵列光源开展具体实验研究。在实际应用中,随着VCSEL阵列工作状态不同,其输出光束特性也会改变。本文从实验角度详细分析了VCSEL阵列光束的空间相干性对阵列光束空间传输特性的影响。随着注入电流增加,VCSEL阵列光束远场由圆形光斑变为空心环状光斑,分别表现出类高斯和类拉盖尔-高斯两种光场分布,光束空间相干度降低。同时,通过改变VCSEL阵列的注入电流,研究了不同空间相干度VCSEL阵列光束在类湍流大气散射介质中的传输特性。与标准相干光源相比,VCSEL阵列光束在散射介质中传输时的光斑扩展随光束包含高阶模式数量的增加而减少,空间相干度较低的VCSEL阵列光束在散射介质中传输时具有更小光束展宽与更低的光强衰减,表现出更好的抗散射性,这为VCSEL阵列光源在自由空间的应用研究提供了新的思路。
1 VCSEL阵列结构设计与制备
VCSEL阵列截面结构如
2 实验结果与分析
在不同激励电流下,VCSEL阵列远场光斑表现出不同的光场分布,如
VCSEL阵列光束表现出高斯和拉盖尔高斯两种不同光场分布时,其光束发散角也会发生改变,
图 4. 不同光场分布下VCSEL阵列远场发散角
Fig. 4. Far-field divergence angle of VCSEL array under different light field distribution
VCSEL阵列光束在类大气湍流散射介质中传输实验装置如5所示,VCSEL阵列光束经透镜准直出射,光束经过分束镜后采用双孔干涉测量光束的空间相干度µ。当光束在大气中传输时,湍流涡旋会对光束产生不同程度的散射和衍射,光束的振幅和相位均会发生变化,产生光束扩展,导致光斑分析仪接收面上光斑半径及光束截面能量的改变。实验中采用硅胶散射介质模拟大气湍流的随机性和不均匀性,光束在自由空间中光斑半径为
图 5. VCSEL阵列光束在散射介质中的传输实验装置图
Fig. 5. Schematic of VCSEL array beam propagation in scattering medium
VCSEL阵列光束在传输前后的光束扩展率和光强衰减率如
图 8. VCSEL阵列光束扩展率及光强衰减率
Fig. 8. VCSEL array beam expansion rate and intensity attenuation rate
3 结论
本文详细分析了不同注入电流下VCSEL阵列光束的空间相干度和光场分布。VCSEL阵列光束为各发光单元叠加形成的部分相干光,其空间相干度随注入电流的增大而减小。在阈值电流下,VCSEL阵列光束为基模出射,阵列光场为类高斯圆形光斑,随着阵列光束转变为多横模出射,VCSEL阵列光场变为类拉盖尔-高斯空心环状光斑且光束发散角增大。此外,通过调控VCSEL阵列的注入电流得到了不同空间相干度的阵列光束,并研究了其在类湍流大气散射介质中的传输特性。不同于标准相干光源,VCSEL阵列光束通过散射介质传输时的光束扩展随光束中高阶模式数量的增加而减少,空间相干度较低的VCSEL阵列光束在散射介质中传输时表现出更小的光束扩展及更低的光强衰减,具有更好的传输特性,这对VCSEL阵列在自由空间光通信中的应用研究有重要意义。
[1] IGA K, KINOSHITA S, KOYAMA F. Microcavity GalaAs/GaAs surface-emitting laser with Ith=6 mA[J]. Electronics Letters, 2007, 23(3): 134-136.
[2] LARSSON A. Advances in VCSELs for communication and sensing[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2011, 17(6): 1552-1567.
[3] MOENCHH, CARPAIJM, GERLACHP, et al. VCSEL-based sensors for distance and velocity[C]. Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers XX, International Society for Optics and Photonics, 2016, 9766: 97660A.
[5] LIN C K, TANDON A, DJORDJEV K, et al. High-speed 985 nm bottom-emitting VCSEL arrays for chip-to-chip parallel optical interconnects[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2007, 13(5): 1332-1339.
[6] SAFAISINI R, JOSEPH J R, DANG G, et al. Scalable high-power, high-speed CW VCSEL arrays[J]. Electronics Letters, 2009, 45(8): 414-415.
[7] LIM Y L, NIKOLIC M, BERTLING K, et al. Self-mixing imaging sensor using a monolithic VCSEL array with parallel readout[J]. Optics Express, 2009, 17(7): 5517-5525.
[8] SAFAISINI R, JOSEPH J R, LEAR K L. Scalable high-CW-power high-speed 980-nm VCSEL arrays[J]. IEEE Journal of Quantum Electronics, 2010, 46(11): 1590-1596.
[9] LIVERMAN S, BIALEK H, NATARAJAN A, et al. VCSEL array-based gigabit free-space optical femtocell communication[J]. Journal of Lightwave Technology, 2019, 38(7): 1659-1667.
[10] SEURINJ F, ZHOUD, XUG, et al. High-efficiency VCSEL arrays for illumination and sensing in consumer applications[C]. Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers XX, International Society for Optics and Photonics, 2016, 9766: 97660D.
[11] CHEN B, CLAUS D, RUSS D, et al. Generation of a high-resolution 3D-printed freeform collimator for VCSEL-based 3D-depth sensing[J]. Optics Letters, 2020, 45(19): 5583-5586.
[12] CHILLA J L A, BENWARE B, WATSON M E, et al. Coherence of VCSEL's for holographic interconnects[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 1995, 7(5): 449-451.
[13] VERSCHAFFELT G, VANDER S G. Spatial coherence properties of pulsed red VCSELs[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2016, 28(9): 1026-1029.
[14] VERSCHAFFELT G, CRAGGS G, PEETERS M L F, et al. Spatially resolved characterization of the coherence area in the incoherent emission regime of a broad-area vertical-cavity surface-emitting laser[J]. IEEE Journal of Quantum Electronics, 2009, 45(3): 249-255.
[15] PEETERS M, VERSCHAFFELT G, THIENPONT H, et al. Spatial decoherence of pulsed broad-area vertical-cavity surface-emitting lasers[J]. Optics Express, 2005, 13(23): 9337-9345.
[16] KNITTER S, LIU C, REDDING B, et al. Coherence switching of a degenerate VECSEL for multimodality imaging[J]. Optica, 2016, 3(4): 403-406.
[17] BIRKBECK A L, FLYNN R A, OZKAN M, et al. VCSEL arrays as micromanipulators in chip-based biosystems[J]. Biomedical Microdevices, 2003, 5(1): 47-54.
[18] REDDING B, BROMBERG Y, CHOMA M A, et al. Full-field interferometric confocal microscopy using a VCSEL array[J]. Optics Letters, 2014, 39(15): 4446-4449.
[19] CHEN Y, CAI Y, EYYUBOGLUH T, et al. Scintillation properties of dark hollow beams in a weak turbulent atmosphere[J]. Applied Physics B, 2008, 90(1): 87-92.
[20] CAI Y, CHEN Y, EYYUBOGLUH T, et al. Scintillation index of elliptical Gaussian beam in turbulent atmosphere[J]. Optics Letters, 2007, 32(16): 2405-2407.
[21] EYYUBOGLUH T, BAYKAL Y, SERMUTLU E, et al. Scintillation advantages of lowest order Bessel–Gaussian beams[J]. Applied Physics B, 2008, 92(2): 229-235.
[22] SHIRAI T, DOGARIU A, WOLF E. Mode analysis of spreading of partially coherent beams propagating through atmospheric turbulence[J]. Journal of the Optical Society of America A, 2003, 20(6): 1094-1102.
[23] GBUR G, WOLF E. Spreading of partially coherent beams in random media[J]. Journal of the Optical Society of America A, 2002, 19(8): 1592-1598.
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朱子军, 刘玉东, 惠武, 王丙辛, 张峰, 关宝璐. 垂直腔面发射激光器阵列光束的空间传输特性[J]. 光子学报, 2022, 51(12): 1214001. Zijun ZHU, Yudong LIU, Wu HUI, Bingxin WANG, Feng ZHANG, Baolu GUAN. Beam Space Propagation Characteristics of Vertical Cavity Surface Emitting Laser Arrays[J]. ACTA PHOTONICA SINICA, 2022, 51(12): 1214001.