Függőleges üregfelületet kibocsátó lézer

A függőleges üreges felületet kibocsátó lézer a félvezető lézerek új generációja, amely az elmúlt években gyorsan fejlődött. Az úgynevezett "függőleges üregfelületi emisszió" azt jelenti, hogy a lézer emissziós iránya merőleges a hasítási síkra vagy a hordozófelületre. Egy másik, ennek megfelelő kibocsátási módszert "élemissziónak" neveznek. A hagyományos félvezető lézerek élkibocsátó módot alkalmaznak, vagyis a lézer emissziós iránya párhuzamos a hordozó felületével. Ezt a lézertípust élkibocsátó lézernek (EEL) nevezik. Az EEL-hez képest a VCSEL előnyei a jó sugárminőség, az egymódusú kimenet, a nagy modulációs sávszélesség, a hosszú élettartam, az egyszerű integráció és tesztelés stb., ezért széles körben használják az optikai kommunikációban, optikai kijelzőben, optikai érzékelésben és egyéb területeken. mezőket.

Ahhoz, hogy intuitívebben és konkrétabban megértsük, mi az a "vertikális emisszió", először meg kell értenünk a VCSEL összetételét és szerkezetét. Itt bemutatjuk az oxidáció-korlátozott VCSEL-t:

A VCSEL alapszerkezete fentről lefelé a következőket tartalmazza: P-típusú ohmos kontaktelektróda, P-típusú adalékolt DBR, oxidzáró réteg, többkvantum-kút aktív régió, N-típusú adalékolt DBR, szubsztrát és N-típusú ohmos kontaktelektróda. Íme a VCSEL szerkezet keresztmetszeti képe [1]. A VCSEL aktív területe mindkét oldalon a DBR tükrök között helyezkedik el, amelyek együtt egy Fabry-Perot rezonáns üreget alkotnak. Az optikai visszacsatolást a DBR-k biztosítják mindkét oldalon. Általában a DBR visszaverő képessége közel 100%, míg a felső DBR visszaverő képessége viszonylag alacsonyabb. Működés közben az aktív terület feletti oxidrétegen keresztül áramot injektálnak a kétoldali elektródákon keresztül, ami stimulált sugárzást hoz létre az aktív területen a lézerkimenet elérése érdekében. A lézer kimeneti iránya merőleges az aktív terület felületére, áthalad a bezáró réteg felületén, és az alacsony visszaverődésű DBR tükörből bocsát ki.

Az alapszerkezet megértése után könnyen megérthető, hogy mit jelent az úgynevezett „függőleges emisszió”, illetve „párhuzamos emisszió”. A következő ábra a VCSEL, illetve az EEL fényemissziós módszereit mutatja [4]. Az ábrán látható VCSEL egy alsó sugárzású mód, és vannak felső sugárzású módok is.

A félvezető lézereknél az elektronok aktív területre való befecskendezése érdekében az aktív területet általában PN átmenetben helyezik el, az N rétegen keresztül az aktív területre injektálják az elektronokat, a P rétegen keresztül pedig lyukakat injektálnak az aktív területre. A nagy lézerhatás elérése érdekében az aktív régiót általában nem adalékolják. A növekedési folyamat során azonban háttérszennyeződések vannak a félvezető chipben, és az aktív régió nem ideális belső félvezető. Ha a befecskendezett hordozók szennyeződésekkel keverednek, a hordozók élettartama csökken, ami a lézer lézeres hatékonyságának csökkenését eredményezi, ugyanakkor növeli a lézer modulációs sebességét, így néha az aktív régió szándékosan doppingolt. Növelje a modulációs rátát a teljesítmény biztosítása mellett.

Ezenkívül a DBR korábbi bevezetéséből láthatjuk, hogy a VCSEL effektív üreghossza az aktív terület vastagsága plusz a DBR behatolási mélysége mindkét oldalon. A VCSEL aktív területe vékony, és a rezonáns üreg teljes hossza általában több mikron. Az EEL élemissziót használ, és az üreg hossza általában több száz mikron. Ezért a VCSEL rövidebb üreghosszúsággal, nagyobb távolsággal rendelkezik a longitudinális módok között, és jobb egyedi longitudinális módus jellemzőkkel rendelkezik. Emellett a VCSEL aktív területének térfogata is kisebb (0,07 köbmikron, míg az EEL általában 60 köbmikron), így a VCSEL küszöbárama is alacsonyabb. Az aktív terület térfogatának csökkentése azonban összehúzza a rezonanciaüreget, ami növeli a veszteséget és növeli az oszcillációhoz szükséges elektronsűrűséget. Növelni kell a rezonáns üreg visszaverő képességét, ezért a VCSEL-nek nagy reflexiós DBR-t kell készítenie. . Azonban van egy optimális visszaverő képesség a maximális fénykibocsátás érdekében, ami nem jelenti azt, hogy minél nagyobb a visszaverő képesség, annál jobb. A fényveszteség csökkentése és a nagy fényvisszaverő képességű tükrök elkészítése mindig is technikai nehézséget okozott.