一种自混合传感器中VCSEL的优化设计(2)

        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： 
        （3） 
        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： 
        （4）
        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%[5]。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。在图4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。

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