Випромінюючий лазер із вертикальною поверхнею резонатора

Поверхнево-випромінювальний лазер з вертикальним резонатором — це нове покоління напівпровідникових лазерів, які стрімко розвиваються в останні роки. Так зване «випромінювання поверхні вертикальної порожнини» означає, що напрямок випромінювання лазера перпендикулярний до площини сколу або поверхні підкладки. Інший відповідний йому метод емісії називається «крайова емісія». Традиційні напівпровідникові лазери використовують режим крайового випромінювання, тобто напрям лазерного випромінювання паралельний поверхні підкладки. Цей тип лазера називається лазером крайового випромінювання (EEL). У порівнянні з EEL VCSEL має такі переваги, як гарна якість променя, одномодовий вихід, висока смуга пропускання модуляції, тривалий термін служби, легка інтеграція та тестування тощо, тому він широко використовується в оптичному зв’язку, оптичному дисплеї, оптичному зондуванні та ін. поля.

Щоб більш інтуїтивно та конкретно зрозуміти, що таке «вертикальне випромінювання», нам потрібно спочатку зрозуміти склад і структуру VCSEL. Тут ми представляємо VCSEL з обмеженням окислення:

Основна структура VCSEL включає зверху вниз: омічний контактний електрод P-типу, легований DBR P-типу, оксидний утримуючий шар, активну область із багатоквантовою ямою, легований DBR N-типу, підкладку та омічний контактний електрод N-типу. Ось поперечний переріз структури VCSEL [1]. Активна зона VCSEL затиснута між дзеркалами DBR з обох сторін, які разом утворюють резонансну порожнину Фабрі-Перо. Оптичний зворотний зв'язок забезпечується DBR з обох сторін. Зазвичай відбивна здатність DBR близька до 100%, тоді як відбивна здатність верхнього DBR відносно нижча. Під час роботи струм вводиться через шар оксиду над активною зоною через електроди з обох сторін, які формуватимуть стимульоване випромінювання в активній зоні для досягнення лазерного виходу. Напрямок виходу лазера перпендикулярний до поверхні активної області, проходить через поверхню утримуючого шару та випромінюється від дзеркала DBR з низьким коефіцієнтом відбиття.

Після розуміння базової структури легко зрозуміти, що означають так звані «вертикальна емісія» та «паралельна емісія» відповідно. На наступному малюнку показано методи випромінювання світла VCSEL та EEL відповідно [4]. VCSEL, показаний на малюнку, є режимом нижнього випромінювання, а також існують режими верхнього випромінювання.

Для напівпровідникових лазерів, щоб інжектувати електрони в активну область, активна область зазвичай поміщається в PN-перехід, електрони інжектуються в активну область через N-шар, а дірки інжектуються в активну область через P-шар. Щоб отримати високу ефективність генерації, активну область, як правило, не легують. Однак у процесі росту в напівпровідниковому чіпі є фонові домішки, і активна область не є ідеальним власним напівпровідником. Коли інжектовані носії поєднуються з домішками, час життя носіїв буде зменшено, що призведе до зниження ефективності генерації лазера, але в той же час це збільшить швидкість модуляції лазера, тому іноді активна область навмисно легований. Збільште швидкість модуляції, забезпечуючи продуктивність.

Крім того, ми бачимо з попереднього вступу до DBR, що ефективна довжина порожнини VCSEL дорівнює товщині активної області плюс глибина проникнення DBR з обох сторін. Активна область VCSEL тонка, а загальна довжина резонансної порожнини зазвичай становить кілька мікрон. EEL використовує крайове випромінювання, а довжина порожнини зазвичай становить кілька сотень мікрон. Тому VCSEL має меншу довжину резонатора, більшу відстань між поздовжніми модами та кращі характеристики окремої поздовжньої моди. Крім того, об’єм активної зони VCSEL також менший (0,07 кубічних мікрон, тоді як EEL зазвичай становить 60 кубічних мікрон), тому пороговий струм VCSEL також нижчий. Однак зменшення об’єму активної області зменшує резонансну порожнину, що збільшить втрати та збільшить щільність електронів, необхідну для коливань. Необхідно збільшити відбивну здатність резонансної порожнини, тому VCSEL потрібно підготувати DBR з високою відбивною здатністю. . Однак існує оптимальна відбивна здатність для максимального світлового потоку, що не означає, що чим вища відбивна здатність, тим краще. Як зменшити втрати світла та підготувати дзеркала з високим коефіцієнтом відбиття завжди було технічною складністю.