Vertikálny dutý povrch vyžarujúci laser

Vertikálny dutinový povrch vyžarujúci laser je novou generáciou polovodičového lasera, ktorý sa v posledných rokoch rýchlo rozvíja. Takzvaná "vertikálna povrchová emisia dutiny" znamená, že smer laserovej emisie je kolmý na rovinu štiepenia alebo povrch substrátu. Iná metóda vyžarovania, ktorá tomu zodpovedá, sa nazýva "emisia okraja". Tradičné polovodičové lasery využívajú režim vyžarovania okrajov, to znamená, že smer laserovej emisie je rovnobežný s povrchom substrátu. Tento typ lasera sa nazýva laser vyžarujúci hrany (EEL). V porovnaní s EEL má VCSEL výhody dobrej kvality lúča, výstupu v jednom režime, vysokej modulačnej šírky pásma, dlhej životnosti, ľahkej integrácie a testovania atď., Takže sa široko používa v optickej komunikácii, optickom zobrazení, optickom snímaní a iných poliach.

Aby sme intuitívnejšie a konkrétnejšie pochopili, čo je „vertikálna emisia“, musíme najprv pochopiť zloženie a štruktúru VCSEL. Tu uvádzame VCSEL s obmedzenou oxidáciou:

Základná štruktúra VCSEL zahŕňa zhora nadol: ohmickú kontaktnú elektródu typu P, dopovanú DBR typu P, vrstvu na zadržiavanie oxidu, aktívnu oblasť s viacerými kvantovými jamami, dopovanú DBR typu N, substrát a ohmickú kontaktnú elektródu typu N. Tu je pohľad v reze na štruktúru VCSEL [1]. Aktívna oblasť VCSEL je vložená medzi zrkadlá DBR na oboch stranách, ktoré spolu tvoria Fabryho-Perotovu rezonančnú dutinu. Optickú spätnú väzbu zabezpečujú DBR na oboch stranách. Zvyčajne je odrazivosť DBR blízka 100%, zatiaľ čo odrazivosť hornej DBR je relatívne nižšia. Počas prevádzky je prúd vstrekovaný cez vrstvu oxidu nad aktívnou oblasťou cez elektródy na oboch stranách, čím sa vytvorí stimulované žiarenie v aktívnej oblasti na dosiahnutie laserového výstupu. Výstupný smer lasera je kolmý na povrch aktívnej oblasti, prechádza cez povrch zadržiavacej vrstvy a je vyžarovaný zo zrkadla DBR s nízkou odrazivosťou.

Po pochopení základnej štruktúry je ľahké pochopiť, čo znamená takzvaná „vertikálna emisia“ a „paralelná emisia“. Nasledujúci obrázok znázorňuje metódy vyžarovania svetla VCSEL a EEL [4]. VCSEL zobrazený na obrázku je režim so spodným vyžarovaním a existujú aj režimy s horným vyžarovaním.

V prípade polovodičových laserov sa na vstreknutie elektrónov do aktívnej oblasti aktívna oblasť zvyčajne umiestni do PN prechodu, elektróny sa vstreknú do aktívnej oblasti cez vrstvu N a do aktívnej oblasti sa cez vrstvu P vstreknú otvory. Aby sa dosiahla vysoká účinnosť lasera, aktívna oblasť nie je vo všeobecnosti dotovaná. Počas procesu rastu sú však v polovodičovom čipe nečistoty na pozadí a aktívna oblasť nie je ideálnym vlastným polovodičom. Keď sa vstrekované nosiče spoja s nečistotami, životnosť nosičov sa zníži, čo vedie k zníženiu účinnosti lasera, ale zároveň sa zvýši modulačná rýchlosť lasera, takže niekedy je aktívna oblasť úmyselne dopovaný. Zvýšte rýchlosť modulácie a zároveň zabezpečte výkon.

Okrem toho z predchádzajúceho zavedenia DBR môžeme vidieť, že efektívna dĺžka dutiny VCSEL je hrúbka aktívnej oblasti plus hĺbka prieniku DBR na oboch stranách. Aktívna oblasť VCSEL je tenká a celková dĺžka rezonančnej dutiny je zvyčajne niekoľko mikrónov. EEL používa okrajovú emisiu a dĺžka dutiny je vo všeobecnosti niekoľko stoviek mikrónov. Preto má VCSEL kratšiu dĺžku dutiny, väčšiu vzdialenosť medzi pozdĺžnymi režimami a lepšie charakteristiky jedného pozdĺžneho režimu. Okrem toho je objem aktívnej oblasti VCSEL tiež menší (0,07 kubických mikrónov, zatiaľ čo EEL je všeobecne 60 kubických mikrónov), takže prahový prúd VCSEL je tiež nižší. Zmenšením objemu aktívnej plochy sa však rezonančná dutina zmenší, čím sa zvýši strata a zvýši sa hustota elektrónov potrebná na osciláciu. Je potrebné zvýšiť odrazivosť rezonančnej dutiny, takže VCSEL potrebuje pripraviť DBR s vysokou odrazivosťou. . Existuje však optimálna odrazivosť pre maximálny svetelný výkon, čo však neznamená, že čím vyššia odrazivosť, tým lepšie. Ako znížiť straty svetla a pripraviť zrkadlá s vysokou odrazivosťou bolo vždy technickým problémom.