中文摘要：

垂直腔面发射激光器（VCSEL）近年来已经被深入研究、广泛应用，但是通常的VCSEL设计中，由于其横向尺度远远大于纵向的有效腔长，它是多横模激射的。对于某些应用领域，如短距光通讯、原子钟，传感来说，要求VCSEL能够在稳定的高输出功率的基横模状态下工作。传统的小尺寸注入孔径和表面刻蚀方法制备的基横模VCSEL可靠性和可重复性有问题，性能很难进一步提升。利用金属表面等离子体结构的选模作用获得高功率单模VCSEL是最新的理论和方法之一，它让人们看到了一种廉价的、可行的获得高功率单模VCSEL的方法。我们拟将表面等离子体结构引入到VCSEL，利用半导体介质与金属间的折射率匹配，在介质的交界面形成的倏逝场，对光束完成量子调控。再通过引入金属表面周期性纳米结构及介质拓扑缺陷等手段对出射光进一步调制，达到对出射激光进行选择或者加强的目的，获得设计简单、可重复性好、低阈值电流、高输出功率的单模VCSEL

结论摘要：

垂直腔面发射激光器(VCSEL)近年来已经被深入研究并获得了广泛应用。但它仍然有一些缺点，包括难以实现较高功率的基横模输出；输出光斑为圆偏振光，这使VCSEL的进一步广泛应用受到了限制。对VCSEL的模式和偏振方向进行选择近几年成为研究热点，其中利用表面等离子体激元（SPPs）的增强和调制效应日益受到人们的广泛重视。本文开展金属亚波长光栅的光学特性研究，深入理解表面等离激元产生、输运以及调制特性，实现了表面等离子激元调制的单模和选择偏振垂直腔面发射激光器的实验研究。本项目主要内容和成果归纳如下 1. 理论研究。采用严格耦合波方法(RCWA)和时域有限差分方法(FDTD)研究金属亚波长光栅的光学特性，以及金属光栅和分布布拉格反射层集成模块的光学特性。研究了基于金属纳米结构的相位调制，进一步应用于空间模式调制，并通过模式损耗差异，有效调制模式竞争。 2. 选择偏振垂直腔面发射激光器。我们将条形金属纳米光栅集成在VCSEL的出光面，实现激光器的稳定偏振输出。垂直光栅方向激光强度和平行方向的比值超过6:1。达到了很好的偏振选择效果。采用环形光栅替换条形光栅，由色散关系我们可以看出光栅槽中很容易激发SPP模式，而且该模式损耗较小，同时我们可以调节参数该模式在槽中形成振荡实现透射增强；相反对于横电波损耗非常大，几乎无法传输。因此，我们采用环形光栅就实现了偏振选择，实现了径向偏振输出。与此类似，我们采用辐射性光栅实现了角向偏振的激光光束。相比于传统的径（角）向偏振光束产生方法，此设计结构简单紧凑；同时，金属光栅的结构参数设计容差比较大，设计优化空间较大。这种激光器在光回路，光电子集成，成像，生物检测芯片等领域都有着重要应用。 3. 单模垂直腔面发射激光器。我们在VCSEL出光面上加入周期孔阵结构来改善器件的模式特性。模拟结果表明，与传统单孔结构相比可以增大出光功率，总体功率可以提升50％左右；能够改善能流分布，使光斑的能量分布和01模式相近，不会出现单孔情况下出现的LP11模式能量过高，导致光斑中能流分布不均匀的情况；光斑相对于没加孔阵的情况有所扩大，但是相对于整个等效光纤出光面还是有所减小的；高阶模式有增强，模式抑制比有所减小。我们进行了单模VCSEL的实验制备。获得了输出功率3.43mW的激光器，输出波长在850nm。