Vertikální dutinový povrch emitující laser

Vertikální dutinový povrch emitující laser je novou generací polovodičového laseru, který se v posledních letech rychle vyvíjí. Takzvaná "vertikální emise povrchu dutiny" znamená, že směr emise laseru je kolmý k rovině štěpení nebo povrchu substrátu. Další emisní metoda, která tomu odpovídá, se nazývá "edge emise". Tradiční polovodičové lasery využívají režim vyzařování hrany, to znamená, že směr laserové emise je rovnoběžný s povrchem substrátu. Tento typ laseru se nazývá laser emitující hrany (EEL). Ve srovnání s EEL má VCSEL výhody dobré kvality paprsku, výstupu v jednom režimu, vysoké modulační šířky pásma, dlouhé životnosti, snadné integrace a testování atd., takže je široce používán v optické komunikaci, optickém displeji, optickém snímání a dalších pole.

Abychom intuitivněji a konkrétněji pochopili, co je to „vertikální emise“, musíme nejprve porozumět složení a struktuře VCSEL. Zde představujeme VCSEL s omezením oxidace:

Základní struktura VCSEL zahrnuje odshora dolů: ohmickou kontaktní elektrodu typu P, dopovaný DBR typu P, vrstvu zadržující oxid, aktivní oblast multikvantové studny, DBR dopovaný typu N, substrát a ohmickou kontaktní elektrodu typu N. Zde je pohled v řezu na strukturu VCSEL [1]. Aktivní oblast VCSEL je vložena mezi zrcadla DBR na obou stranách, která dohromady tvoří Fabryho-Perotovu rezonanční dutinu. Optická zpětná vazba je zajišťována DBR na obou stranách. Obvykle se odrazivost DBR blíží 100 %, zatímco odrazivost horního DBR je relativně nižší. Během provozu je proud vstřikován přes vrstvu oxidu nad aktivní oblastí přes elektrody na obou stranách, které vytvoří stimulované záření v aktivní oblasti pro dosažení laserového výstupu. Výstupní směr laseru je kolmý k povrchu aktivní oblasti, prochází povrchem omezující vrstvy a je vyzařován z nízkoodrazového zrcadla DBR.

Po pochopení základní struktury je snadné pochopit, co znamená takzvaná "vertikální emise" a "paralelní emise". Následující obrázek ukazuje metody vyzařování světla VCSEL a EEL [4]. VCSEL zobrazený na obrázku je režim spodního vyzařování a existují také režimy horního vyzařování.

U polovodičových laserů je za účelem injektování elektronů do aktivní oblasti aktivní oblast obvykle umístěna v PN přechodu, elektrony jsou injektovány do aktivní oblasti prostřednictvím vrstvy N a otvory jsou injektovány do aktivní oblasti prostřednictvím vrstvy P. Aby se dosáhlo vysoké účinnosti laserového záření, není aktivní oblast obecně dotována. Během procesu růstu jsou však v polovodičovém čipu nečistoty z pozadí a aktivní oblast není ideálním vnitřním polovodičem. Když se injektované nosiče spojí s nečistotami, sníží se životnost nosičů, což má za následek snížení účinnosti laseru, ale zároveň se zvýší modulační rychlost laseru, takže někdy je aktivní oblast úmyslně dopováno. Zvyšte rychlost modulace při zajištění výkonu.

Navíc z předchozího zavedení DBR můžeme vidět, že efektivní délka dutiny VCSEL je tloušťka aktivní oblasti plus hloubka průniku DBR na obou stranách. Aktivní oblast VCSEL je tenká a celková délka rezonanční dutiny je obvykle několik mikronů. EEL používá okrajovou emisi a délka dutiny je obecně několik set mikronů. Proto má VCSEL kratší délku dutiny, větší vzdálenost mezi podélnými režimy a lepší charakteristiky jediného podélného režimu. Kromě toho je objem aktivní oblasti VCSEL také menší (0,07 mikronů krychlových, zatímco EEL je obecně 60 mikronů krychlových), takže prahový proud VCSEL je také nižší. Zmenšením objemu aktivní plochy se však rezonanční dutina zmenšuje, což zvýší ztrátu a zvýší elektronovou hustotu potřebnou pro oscilaci. Je nutné zvýšit odrazivost rezonanční dutiny, takže VCSEL potřebuje připravit DBR s vysokou odrazivostí. . Existuje však optimální odrazivost pro maximální světelný výkon, což neznamená, že čím vyšší odrazivost, tím lépe. Jak snížit ztráty světla a připravit zrcadla s vysokou odrazivostí, bylo vždy technickým problémem.