Pionowy laser emitujący powierzchnię wnęki

Laser emitujący powierzchniowo wnękę pionową to nowa generacja lasera półprzewodnikowego, która w ostatnich latach szybko się rozwija. Tak zwana „pionowa emisja powierzchni wnęki” oznacza, że ​​kierunek emisji lasera jest prostopadły do ​​płaszczyzny cięcia lub powierzchni podłoża. Inna odpowiadająca jej metoda emisji nazywa się „emisją krawędziową”. Tradycyjne lasery półprzewodnikowe przyjmują tryb emisji krawędziowej, co oznacza, że ​​kierunek emisji lasera jest równoległy do ​​powierzchni podłoża. Ten typ lasera nazywany jest laserem krawędziowym (EEL). W porównaniu z EEL, VCSEL ma zalety dobrej jakości wiązki, wyjścia jednomodowego, dużej szerokości pasma modulacji, długiej żywotności, łatwej integracji i testowania itp., dlatego jest szeroko stosowany w komunikacji optycznej, wyświetlaczach optycznych, wykrywaniu optycznym i innych pola.

Aby bardziej intuicyjnie i konkretnie zrozumieć, czym jest „emisja pionowa”, musimy najpierw zrozumieć skład i strukturę VCSEL. Tutaj przedstawiamy VCSEL z ograniczonym utlenianiem:

Podstawowa struktura VCSEL obejmuje od góry do dołu: omową elektrodę kontaktową typu P, domieszkowany DBR typu P, warstwę zatrzymującą tlenek, obszar aktywny wielokwantowej studni, DBR domieszkowany typu N, podłoże i omową elektrodę kontaktową typu N. Oto przekrój poprzeczny struktury VCSEL [1]. Obszar aktywny VCSEL jest umieszczony pomiędzy zwierciadłami DBR po obu stronach, które razem tworzą wnękę rezonansową Fabry'ego-Perota. Optyczne sprzężenie zwrotne zapewniają DBR po obu stronach. Zwykle współczynnik odbicia DBR jest bliski 100%, podczas gdy współczynnik odbicia górnego DBR jest stosunkowo niższy. Podczas pracy prąd jest wtryskiwany przez warstwę tlenku nad obszarem aktywnym przez elektrody po obu stronach, co powoduje wytworzenie stymulowanego promieniowania w obszarze aktywnym w celu uzyskania mocy lasera. Kierunek wyjściowy lasera jest prostopadły do ​​powierzchni obszaru aktywnego, przechodzi przez powierzchnię warstwy ograniczającej i jest emitowany przez zwierciadło DBR o niskim współczynniku odbicia.

Po zrozumieniu podstawowej struktury łatwo jest zrozumieć, co oznaczają odpowiednio tzw. „emisję pionową” i „emisję równoległą”. Poniższy rysunek przedstawia metody emisji światła odpowiednio VCSEL i EEL [4]. VCSEL pokazany na rysunku to tryb emisji dolnej, ale istnieją również tryby emisji górnej.

W przypadku laserów półprzewodnikowych, w celu wprowadzenia elektronów do obszaru aktywnego, obszar aktywny umieszcza się zwykle w złączu PN, elektrony wprowadza się do obszaru aktywnego przez warstwę N, a dziury wprowadza się do obszaru aktywnego przez warstwę P. Aby uzyskać wysoką wydajność lasera, obszar aktywny na ogół nie jest domieszkowany. Jednakże podczas procesu wzrostu w chipie półprzewodnikowym występują zanieczyszczenia tła, a obszar aktywny nie jest idealnym półprzewodnikiem wewnętrznym. Kiedy wtryskiwane nośniki łączą się z zanieczyszczeniami, żywotność nośników ulegnie skróceniu, co spowoduje zmniejszenie wydajności lasera lasera, ale jednocześnie zwiększy szybkość modulacji lasera, dlatego czasami obszar aktywny jest celowo dopingowany. Zwiększ częstotliwość modulacji, zapewniając jednocześnie wydajność.

Ponadto z poprzedniego wprowadzenia DBR wynika, że ​​efektywna długość wnęki VCSEL to grubość obszaru aktywnego plus głębokość penetracji DBR po obu stronach. Obszar aktywny VCSEL jest cienki, a całkowita długość wnęki rezonansowej wynosi zwykle kilka mikronów. EEL wykorzystuje emisję krawędziową, a długość wnęki wynosi zazwyczaj kilkaset mikronów. Dlatego VCSEL ma krótszą długość wnęki, większą odległość między modami podłużnymi i lepszą charakterystykę pojedynczego modu podłużnego. Ponadto objętość obszaru aktywnego VCSEL jest również mniejsza (0,07 mikrona sześciennego, podczas gdy EEL wynosi na ogół 60 mikronów sześciennych), więc prąd progowy VCSEL jest również niższy. Jednakże zmniejszenie objętości obszaru aktywnego powoduje kurczenie się wnęki rezonansowej, co zwiększa straty i zwiększa gęstość elektronów wymaganą do oscylacji. Konieczne jest zwiększenie współczynnika odbicia wnęki rezonansowej, dlatego VCSEL musi przygotować DBR o wysokim współczynniku odbicia. . Istnieje jednak optymalny współczynnik odbicia dla maksymalnej mocy świetlnej, co nie oznacza, że ​​im wyższy współczynnik odbicia, tym lepiej. Ograniczenie utraty światła i przygotowanie luster o wysokim współczynniku odbicia zawsze stanowiło trudność techniczną.