Vertikal hulrumsoverfladeemitterende laser

Vertical cavity overflade-emitterende laser er en ny generation af halvlederlaser, der har udviklet sig hurtigt i de seneste år. Den såkaldte "vertikale hulrumsoverfladeemission" betyder, at laseremissionsretningen er vinkelret på spaltningsplanet eller substratoverfladen. En anden emissionsmetode, der svarer til den, kaldes "kantemission". Traditionelle halvlederlasere anvender en kant-emitterende tilstand, det vil sige, at laseremissionsretningen er parallel med substratoverfladen. Denne type laser kaldes en kant-emitterende laser (EEL). Sammenlignet med EEL har VCSEL fordelene ved god strålekvalitet, single-mode output, høj moduleringsbåndbredde, lang levetid, nem integration og test osv., så det er blevet meget brugt i optisk kommunikation, optisk skærm, optisk sensing og andre felter.

For mere intuitivt og specifikt at forstå, hvad "vertikal emission" er, skal vi først forstå sammensætningen og strukturen af ​​VCSEL. Her introducerer vi den oxidationsbegrænsede VCSEL:

Den grundlæggende struktur af VCSEL inkluderer fra top til bund: P-type ohmsk kontaktelektrode, P-type doteret DBR, oxidindeslutningslag, multi-kvantebrønd aktivt område, N-type doteret DBR, substrat og N-type ohmsk kontaktelektrode. Her er et tværsnitsbillede af VCSEL-strukturen [1]. Det aktive område af VCSEL er klemt mellem DBR-spejlene på begge sider, som tilsammen danner et Fabry-Perot resonanshulrum. Den optiske feedback leveres af DBR'erne på begge sider. Normalt er reflektiviteten af ​​DBR tæt på 100%, mens reflektiviteten af ​​øvre DBR er relativt lavere. Under drift injiceres strøm gennem oxidlaget over det aktive område gennem elektroderne på begge sider, hvilket vil danne stimuleret stråling i det aktive område for at opnå laseroutput. Laserens outputretning er vinkelret på overfladen af ​​det aktive område, passerer gennem overfladen af ​​indeslutningslaget og udsendes fra DBR-spejlet med lav reflektivitet.

Efter at have forstået den grundlæggende struktur er det let at forstå, hvad den såkaldte "vertikal emission" og "parallel emission" betyder henholdsvis. Den følgende figur viser lysemissionsmetoderne for henholdsvis VCSEL og EEL [4]. VCSEL vist i figuren er en bund-emitterende tilstand, og der er også top-emitterende tilstande.

For halvlederlasere, for at injicere elektroner i det aktive område, placeres det aktive område normalt i en PN-junction, elektroner injiceres i det aktive område gennem N-laget, og huller injiceres i det aktive område gennem P-laget. For at opnå høj lasereffektivitet er det aktive område generelt ikke doteret. Imidlertid er der baggrundsurenheder i halvlederchippen under vækstprocessen, og den aktive region er ikke en ideel iboende halvleder. Når de indsprøjtede bærere kombineres med urenheder, vil bærernes levetid blive reduceret, hvilket resulterer i en reduktion i laserens lasereffektivitet, men det vil samtidig øge modulationshastigheden af ​​laseren, så nogle gange er det aktive område bevidst dopet. Øg modulationshastigheden, mens du sikrer ydeevne.

Derudover kan vi se fra den tidligere introduktion af DBR, at den effektive hulrumslængde af VCSEL er tykkelsen af ​​det aktive område plus indtrængningsdybden af ​​DBR på begge sider. Det aktive område af VCSEL er tyndt, og den samlede længde af resonanshulrummet er normalt flere mikrometer. EEL bruger kantemission, og hulrummets længde er generelt flere hundrede mikron. Derfor har VCSEL en kortere hulrumslængde, en større afstand mellem langsgående tilstande og bedre enkelt longitudinelle tilstandsegenskaber. Derudover er volumenet af det aktive område af VCSEL også mindre (0,07 kubik mikron, mens EEL generelt er 60 kubik mikron), så tærskelstrømmen af ​​VCSEL er også lavere. Reduktion af volumenet af det aktive område krymper imidlertid resonanshulrummet, hvilket vil øge tabet og øge elektrondensiteten, der kræves til oscillation. Det er nødvendigt at øge reflektiviteten af ​​resonanshulrummet, så VCSEL skal forberede en DBR med høj reflektivitet. . Der er dog en optimal reflektionsevne for maksimalt lysudbytte, hvilket ikke betyder, at jo højere reflektivitet, jo bedre. Hvordan man reducerer lystab og forbereder højreflekterende spejle har altid været et teknisk problem.