Vertikal kavitets ytaemitterande laser

Vertikal kavitets ytemitterande laser är en ny generation av halvledarlaser som har utvecklats snabbt de senaste åren. Den så kallade "vertikala kavitetsytemissionen" betyder att laseremissionsriktningen är vinkelrät mot klyvningsplanet eller substratytan. En annan emissionsmetod som motsvarar den kallas "kantemission". Traditionella halvledarlasrar använder ett kantutsändande läge, det vill säga laseremissionsriktningen är parallell med substratytan. Denna typ av laser kallas en kantutsändande laser (EEL). Jämfört med EEL har VCSEL fördelarna med god strålkvalitet, enkellägesutgång, hög moduleringsbandbredd, lång livslängd, enkel integration och testning etc., så det har använts i stor utsträckning inom optisk kommunikation, optisk display, optisk avkänning och annat fält.

För att mer intuitivt och specifikt förstå vad "vertikal emission" är måste vi först förstå VCSELs sammansättning och struktur. Här introducerar vi den oxidationsbegränsade VCSEL:

Den grundläggande strukturen för VCSEL inkluderar från topp till botten: P-typ ohmsk kontaktelektrod, P-typ dopad DBR, oxidinneslutningsskikt, multi-kvantbrunns aktiv region, N-typ dopad DBR, substrat och N-typ ohmsk kontaktelektrod. Här är en tvärsnittsvy av VCSEL-strukturen [1]. Det aktiva området av VCSEL är inklämt mellan DBR-speglarna på båda sidor, som tillsammans bildar en Fabry-Perot-resonanshålighet. Den optiska återkopplingen tillhandahålls av DBRs på båda sidor. Vanligtvis är reflektionsförmågan för DBR nära 100%, medan reflektiviteten för övre DBR är relativt lägre. Under drift injiceras ström genom oxidskiktet ovanför det aktiva området genom elektroderna på båda sidor, vilket kommer att bilda stimulerad strålning i det aktiva området för att uppnå lasereffekt. Laserns utgående riktning är vinkelrät mot ytan av det aktiva området, passerar genom ytan av inneslutningsskiktet och sänds ut från den lågreflekterande DBR-spegeln.

Efter att ha förstått grundstrukturen är det lätt att förstå vad den så kallade "vertikala emissionen" respektive "parallell emission" betyder. Följande figur visar ljusemissionsmetoderna för VCSEL respektive EEL [4]. VCSEL som visas i figuren är ett bottenemitterande läge, och det finns även toppemitterande lägen.

För halvledarlasrar, för att injicera elektroner i det aktiva området, placeras det aktiva området vanligtvis i en PN-övergång, elektroner injiceras i det aktiva området genom N-skiktet och hål injiceras i det aktiva området genom P-skiktet. För att erhålla hög lasereffektivitet är det aktiva området i allmänhet inte dopat. Det finns emellertid bakgrundsföroreningar i halvledarchipset under tillväxtprocessen, och den aktiva regionen är inte en idealisk inneboende halvledare. När de injicerade bärarna kombineras med föroreningar, kommer bärarnas livslängd att minska, vilket resulterar i en minskning av laserns lasereffektivitet, men samtidigt kommer det att öka modulationshastigheten för lasern, så ibland är den aktiva regionen avsiktligt dopad. Öka moduleringshastigheten samtidigt som du säkerställer prestanda.

Dessutom kan vi se från den tidigare introduktionen av DBR att den effektiva kavitetslängden för VCSEL är tjockleken på det aktiva området plus penetrationsdjupet för DBR på båda sidor. Den aktiva ytan av VCSEL är tunn, och den totala längden av resonanshåligheten är vanligtvis flera mikrometer. EEL använder kantemission, och kavitetslängden är i allmänhet flera hundra mikron. Därför har VCSEL en kortare kavitetslängd, ett större avstånd mellan longitudinella moder och bättre enstaka longitudinella modegenskaper. Dessutom är volymen av det aktiva området för VCSEL också mindre (0,07 kubikmikron, medan EEL i allmänhet är 60 kubikmikron), så tröskelströmmen för VCSEL är också lägre. Att minska volymen av det aktiva området krymper emellertid resonanshålrummet, vilket kommer att öka förlusten och öka elektrondensiteten som krävs för oscillation. Det är nödvändigt att öka resonanshålighetens reflektivitet, så VCSEL behöver förbereda en DBR med hög reflektivitet. . Det finns dock en optimal reflektivitet för maximal ljuseffekt, vilket inte betyder att ju högre reflektivitet desto bättre. Hur man minskar ljusförlusten och förbereder högreflekterande speglar har alltid varit en teknisk svårighet.