Laser emițător de suprafață cu cavitate verticală

Laserul cu emisie de suprafață cu cavitate verticală este o nouă generație de laser semiconductor care s-a dezvoltat rapid în ultimii ani. Așa-numita „emisie de suprafață a cavității verticale” înseamnă că direcția de emisie a laserului este perpendiculară pe planul de clivaj sau pe suprafața substratului. O altă metodă de emisie care îi corespunde se numește „emisie de margine”. Laserele semiconductoare tradiționale adoptă un mod de emisie a marginilor, adică direcția de emisie a laserului este paralelă cu suprafața substratului. Acest tip de laser se numește laser cu emisie de margini (EEL). În comparație cu EEL, VCSEL are avantajele unei calități bune a fasciculului, ieșire monomod, lățime de bandă cu modulare mare, durată lungă de viață, integrare și testare ușoară etc., așa că a fost utilizat pe scară largă în comunicații optice, afișaj optic, detecție optică și altele. câmpuri.

Pentru a înțelege mai intuitiv și mai specific ce este „emisia verticală”, trebuie să înțelegem mai întâi compoziția și structura VCSEL. Aici introducem VCSEL limitat de oxidare:

Structura de bază a VCSEL include de sus în jos: electrod de contact ohmic de tip P, DBR dopat de tip P, strat de confinare de oxid, regiune activă cu puțuri multi-cuantice, DBR dopat de tip N, substrat și electrod de contact ohmic de tip N. Iată o vedere în secțiune transversală a structurii VCSEL [1]. Zona activă a VCSEL este cuprinsă între oglinzile DBR de pe ambele părți, care împreună formează o cavitate rezonantă Fabry-Perot. Feedback-ul optic este furnizat de DBR-urile de pe ambele părți. De obicei, reflectivitatea DBR este aproape de 100%, în timp ce reflectivitatea DBR superior este relativ mai mică. În timpul funcționării, curentul este injectat prin stratul de oxid de deasupra zonei active prin electrozii de pe ambele părți, care vor forma radiații stimulate în zona activă pentru a obține ieșirea laser. Direcția de ieșire a laserului este perpendiculară pe suprafața zonei active, trece prin suprafața stratului de izolare și este emisă de oglinda DBR cu reflexie scăzută.

După înțelegerea structurii de bază, este ușor de înțeles ce înseamnă așa-numita „emisie verticală” și, respectiv, „emisie paralelă”. Figura următoare prezintă metodele de emisie de lumină ale VCSEL și, respectiv, EEL [4]. VCSEL prezentat în figură este un mod de emisie de jos și există și moduri de emisie de sus.

Pentru laserele semiconductoare, pentru a injecta electroni în zona activă, zona activă este de obicei plasată într-o joncțiune PN, electronii sunt injectați în zona activă prin stratul N, iar găurile sunt injectate în zona activă prin stratul P. Pentru a obține o eficiență ridicată de laser, regiunea activă nu este în general dopată. Cu toate acestea, există impurități de fond în cipul semiconductor în timpul procesului de creștere, iar regiunea activă nu este un semiconductor intrinsec ideal. Când purtătorii injectați se combină cu impuritățile, durata de viață a purtătorilor va fi redusă, rezultând o reducere a eficienței laserului, dar în același timp va crește rata de modulare a laserului, astfel încât uneori regiunea activă este dopat intenţionat. Creșteți rata de modulație, asigurând în același timp performanța.

În plus, putem vedea din introducerea anterioară a DBR că lungimea efectivă a cavității VCSEL este grosimea zonei active plus adâncimea de penetrare a DBR pe ambele părți. Zona activă a VCSEL este subțire, iar lungimea totală a cavității rezonante este de obicei de câțiva microni. EEL folosește emisia de margine, iar lungimea cavității este în general de câteva sute de microni. Prin urmare, VCSEL are o lungime mai scurtă a cavității, o distanță mai mare între modurile longitudinale și caracteristici mai bune ale modului longitudinal unic. În plus, volumul zonei active a VCSEL este, de asemenea, mai mic (0,07 microni cubi, în timp ce EEL este în general de 60 microni cubi), astfel încât curentul de prag al VCSEL este, de asemenea, mai mic. Cu toate acestea, reducerea volumului zonei active micșorează cavitatea rezonantă, ceea ce va crește pierderea și va crește densitatea de electroni necesară pentru oscilație. Este necesară creșterea reflectivității cavității rezonante, astfel încât VCSEL trebuie să pregătească un DBR cu reflectivitate ridicată. . Cu toate acestea, există o reflectivitate optimă pentru o putere maximă de lumină, ceea ce nu înseamnă că cu cât reflectivitatea este mai mare, cu atât mai bine. Cum să reduceți pierderile de lumină și să pregătiți oglinzile cu reflexie ridicată a fost întotdeauna o dificultate tehnică.