Повърхностно излъчващ лазер с вертикална кухина

Лазерът с повърхностно излъчване с вертикална кухина е полупроводников лазер от ново поколение, който се развива бързо през последните години. Така нареченото "повърхностно излъчване на вертикална кухина" означава, че посоката на лазерното излъчване е перпендикулярна на равнината на разцепване или повърхността на субстрата. Друг съответстващ на него метод на излъчване се нарича "емисия на ръба". Традиционните полупроводникови лазери приемат режим на ръбово излъчване, т.е. посоката на лазерното излъчване е успоредна на повърхността на субстрата. Този тип лазер се нарича крайно излъчващ лазер (EEL). В сравнение с EEL, VCSEL има предимствата на добро качество на лъча, едномодов изход, висока честотна лента на модулация, дълъг живот, лесна интеграция и тестване и т.н., така че е широко използван в оптичните комуникации, оптичния дисплей, оптичното наблюдение и други полета.

За да разберем по-интуитивно и конкретно какво е "вертикална емисия", първо трябва да разберем състава и структурата на VCSEL. Тук представяме VCSEL с ограничено окисление:

Основната структура на VCSEL включва отгоре надолу: P-тип омичен контактен електрод, P-тип легиран DBR, оксиден ограничителен слой, многоквантова активна област, N-тип легиран DBR, субстрат и N-тип омичен контактен електрод. Ето напречен разрез на структурата на VCSEL [1]. Активната зона на VCSEL е притисната между DBR огледалата от двете страни, които заедно образуват резонансна кухина на Фабри-Перо. Оптичната обратна връзка се осигурява от DBR от двете страни. Обикновено отразяващата способност на DBR е близо до 100%, докато отразяващата способност на горния DBR е сравнително по-ниска. По време на работа ток се инжектира през оксидния слой над активната зона през електродите от двете страни, което ще образува стимулирано лъчение в активната зона за постигане на лазерна мощност. Изходната посока на лазера е перпендикулярна на повърхността на активната зона, преминава през повърхността на ограничителния слой и се излъчва от DBR огледалото с ниска отражателна способност.

След като разберете основната структура, е лесно да разберете какво означават съответно така наречените „вертикална емисия“ и „паралелна емисия“. Следващата фигура показва методите за излъчване на светлина съответно на VCSEL и EEL [4]. VCSEL, показан на фигурата, е режим на излъчване отдолу, а има и режими на излъчване отгоре.

За полупроводниковите лазери, за да се инжектират електрони в активната област, активната област обикновено се поставя в PN преход, електроните се инжектират в активната област през N слоя, а дупките се инжектират в активната област през P слоя. За да се получи висока ефективност на генерация, активната област обикновено не е легирана. Въпреки това има фонови примеси в полупроводниковия чип по време на процеса на растеж и активната област не е идеален вътрешен полупроводник. Когато инжектираните носители се комбинират с примеси, животът на носителите ще бъде намален, което ще доведе до намаляване на лазерната ефективност на лазера, но в същото време ще увеличи скоростта на модулация на лазера, така че понякога активната област е умишлено допинг. Увеличете скоростта на модулация, като същевременно гарантирате производителност.

В допълнение, можем да видим от предишното въвеждане на DBR, че ефективната дължина на кухината на VCSEL е дебелината на активната зона плюс дълбочината на проникване на DBR от двете страни. Активната зона на VCSEL е тънка и общата дължина на резонансната кухина обикновено е няколко микрона. EEL използва ръбово излъчване, а дължината на кухината обикновено е няколкостотин микрона. Следователно VCSEL има по-къса дължина на кухината, по-голямо разстояние между надлъжните модове и по-добри характеристики на единичен надлъжен мод. В допълнение, обемът на активната зона на VCSEL също е по-малък (0,07 кубични микрона, докато EEL обикновено е 60 кубични микрона), така че праговият ток на VCSEL също е по-нисък. Въпреки това, намаляването на обема на активната област свива резонансната кухина, което ще увеличи загубата и ще увеличи електронната плътност, необходима за трептене. Необходимо е да се увеличи отразяващата способност на резонансната кухина, така че VCSEL трябва да подготви DBR с висока отразяваща способност. . Има обаче оптимална отразяваща способност за максимална светлинна мощност, което не означава, че колкото по-висока е отразяващата способност, толкова по-добре. Как да се намали загубата на светлина и да се подготвят огледала с висока отразяваща способност винаги е било техническа трудност.