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VCSEL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
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，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，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。微机械悬臂粱的毫微米（10-10m）级别测量，又将成为其一个伟大的应用。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35~200μm；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。
（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。
2 标准的VCSEL结构
我们研究的标准的VCSEL结构为：由3个6nm的In0.17Ga0.83As/GaAs0.92P0.08结构的量子阱发出的970nm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:0.12-0.9）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，且使底层结构为透明的比较方便。反射镜都参杂Np=2.5×1018cm-3和Nn=1.5-2.0×1018cm-3，杂质损耗设定为（11×10-18cm3Np+5×10-18cm3Nn）cm-1 [6]，我们的设计结构反射率为：98.36%（顶镜），99.88%（底镜）。杂质损耗分别为1.3%和0.1%。透射率分别为0.3%和0.02%。阈值模态的增益为41cm-1（忽略孔径氧化和散射损耗）。每个阱阈值增益为548cm-1。激光器的氧化孔径为3μm，我们假定其为单向横向方式。我们用矩阵乘法 计算 有效反射率和带有三镜腔反馈模型的布拉格反射镜的光传输。我们给出了一个对数增益模型（g=g0×ln[N/Ntr]）以及一个激光速率方程来计算输出功率和注入电流的载流子密度。增益模型和速率方程中用到的已知参数。这些数据是由参考[7]得到的。聚合物组成的悬臂（n=1.5，4.5μm厚度）反射率为2×10-4（包括耦合损耗）。g0：增益系数；Ntr:透明载流子密度；ηi:固有量子效率；Γ3QW:有效限制因数；A：无辐射复合系数；B:双分子复合系数；C：奥杰复合系数，β：自发射因数。
3 能见度VS电流
大多数边发射激光二极管，方程一的第二项占主要因素。但是对低透射率二级管如VCSELs，第一项也很重要。下面我们分析其原因。量子效率的微分量为：
（1）
为固有量子效率，ai为固有损耗，F为输出功率到达镜面部分。对象VSCSL这样的有双不对称镜的激光器来说，输出功率到达各镜面的部分是不同的。顶镜包括反馈部分的输出功率表达式为：
（2）
Teff，Reff和Rbot为功率透射率及顶镜和底镜的反射率。由于VCSEL的透射率很低，Reff（△R/R≈5×10-4）的微弱变化就将导致Teff的巨大改变，从而导致F（包括反馈光相位）的改变。这意味着相对于边发射激光器，VCSEL的效率微分量更加重要。有文献指出，在VCSEL中效率微分量的变化量相当于到达顶镜光信息量的40%。[8]。我们搭建的优化模型中测量结果达到10%。输出部分的相位的重要性，在图2中也表现出来。当阈值低时从底镜可以得到高的透射信号，这意味着这两个因素以相反的效果影响着顶镜。
空心菱形代表当到达悬臂的距离发生改变时，标准VCSEL模型的阈值电流的仿真值。顶镜的输出部分（用方块表示）底镜（用点表示）的仿真量和距离之间的关系也在图中展示出来。当阈值电流降低时，到达镜面的信号量分别变低（顶镜）、高（底镜）。
展示了输出功率能见度的计算数值和标准VCSEL结构阈值电流的关系。最大阈值时双向的能见度峰值。然而，底镜峰值总是相对大些，这是由于阈值电流受底镜部分的量子效率微分量的相位调制。
在更高电流时，能见度急剧下降，趋向于一个定值：△ηd/2ηd。顶镜部分在峰值和定值之间有一部分为零能见度。这是由Ith和ηd的相位关系影响的。因此当VCSEL作为传感器激光器，而电流选取出现严重失误时，将会产生零灵敏度。用VCSEL的背向发射，将对此有所帮助。
仿真顶镜方向（方块）和底镜方向（圆环）光发射能见度与优化结构电流构成的平面图。右轴为上、下方向LI曲线（取最大反馈和最小反馈）插图为当电流远大于阈值量时的能见度。高电流时横定量仅决定于斜率效率的改变。
4 量子阱增益和镜面反射率的优化
通过降低镜面反馈光方向的反射率可使激光器对反馈变得更加灵敏。这已被实验证实。我们的仿真结果显示灵敏度的提高意味着其本身峰值能见度的增高，对应于阈值电流的增高。底部输出功率部分的变化增大，这将导致峰值能见度的增高。顶部输出功率部分降低，将从顶部导致峰值可见度的增高。然而，平均损失也有所增加，从而阈值增益和载流子密度也增加。每个量子阱只能提供有限的增益，因为载流子密度增加到一定程度导致增益饱和。因此，虽然理论上19个 电子 偶的反射率能增加77%的能见度，但是实验装置却无法达到，因为材质不可能达到那么高。解决方法为多量子间阱共享增益。为了弥补另加量子阱需要额外空间，激光器组成和拉伸应变栅应稍作调整。在1-λ腔，大多增加的量子阱将超出电场峰值，因此对增益贡献很小。通过增加一AlGaAs垫片（类似于最近的一种高功率设计方法[9]）从而腔长改变为m×λ/2，3阱组群设置在光场多峰值中心，可以显著的改善制约因数。在我们标绘了3、6、9量子阱组VCSEL的能见度仿真结果，对6和9阱，反射镜位置调远，直到达到和原来阈值载流子相近为止。6阱和9阱VCSEL的峰值可见度增大到80%也因为阈值电流和功耗的微涨而达到。
功率能见度顶部（黑线）底部（红线）与VCSEL电流平面图。3阱设计为23电子偶布拉格反射镜，6阱为17电子偶布拉格反射镜，9阱为15电子偶布拉格反射镜。表示大电流时的能见度。
在电流远大于阈值时，顶部能见度降低，底部能见度提高通过调远顶镜距离。用优化过增益和镜面的底部输出作为传感器会取得更好的效果。然而，能见度只是在底部和顶部相互转换了一下。为了增加总常量标准，必须有一方增加反馈，降低额外损耗（如杂质损耗）提高峰值能见度和底部的△ηd /2ηd。Γ：制约因数，Nth：阈值载流子密度，△Ith：阈值电流受反馈影响的变化量，△ηd/ηd：量子效率微分量的相对变化，Vpeak:峰值能见度。
5 结论和总结
如果要完成一个自混合的有高峰值敏感度的VCSEL，镜面反馈方向的反射率一定要低，为了补偿增加的损耗，我们用在额外的共振增益腔增加紧凑型式的3阱组合6阱组的方式提高了增益从而提高了80%峰值敏感度。如果检测到功率的变化是静态的，那么最佳偏置点为处于阈值点，根据信背比，确定为最优方案。如果应用锁入技术，远高于阈值的偏置点将使测量从背向散射取得的信号更加方便。
