Vertikal hulromsoverflate-emitterende laser

Vertikal hulroms overflateemitterende laser er en ny generasjon halvlederlaser som har utviklet seg raskt de siste årene. Den såkalte "vertikal hulroms overflateemisjon" betyr at laseremisjonsretningen er vinkelrett på spalteplanet eller substratoverflaten. En annen utslippsmetode som tilsvarer den kalles "kantutslipp". Tradisjonelle halvlederlasere tar i bruk en kant-emitterende modus, det vil si at laseremisjonsretningen er parallell med substratoverflaten. Denne typen laser kalles en edge-emitting laser (EEL). Sammenlignet med EEL har VCSEL fordelene med god strålekvalitet, enkeltmodusutgang, høy modulasjonsbåndbredde, lang levetid, enkel integrasjon og testing, etc., så det har blitt mye brukt i optisk kommunikasjon, optisk skjerm, optisk sensing og annet Enger.

For å forstå mer intuitivt og spesifikt hva "vertikal emisjon" er, må vi først forstå sammensetningen og strukturen til VCSEL. Her introduserer vi den oksidasjonsbegrensede VCSEL:

Den grunnleggende strukturen til VCSEL inkluderer fra topp til bunn: P-type ohmsk kontaktelektrode, P-type dopet DBR, oksidbegrensningslag, multi-kvantebrønnaktiv region, N-type dopet DBR, substrat og N-type ohmsk kontaktelektrode. Her er et tverrsnitt av VCSEL-strukturen [1]. Det aktive området til VCSEL er klemt mellom DBR-speilene på begge sider, som sammen danner et Fabry-Perot resonanshulrom. Den optiske tilbakemeldingen leveres av DBR-ene på begge sider. Vanligvis er reflektiviteten til DBR nær 100%, mens reflektiviteten til øvre DBR er relativt lavere. Under drift injiseres strøm gjennom oksidlaget over det aktive området gjennom elektrodene på begge sider, som vil danne stimulert stråling i det aktive området for å oppnå laserutgang. Utgangsretningen til laseren er vinkelrett på overflaten av det aktive området, passerer gjennom overflaten av inneslutningslaget og sendes ut fra DBR-speilet med lav reflektivitet.

Etter å ha forstått grunnstrukturen er det lett å forstå hva den såkalte "vertikal emisjon" og "parallell emisjon" betyr henholdsvis. Følgende figur viser lysutslippsmetodene til henholdsvis VCSEL og EEL [4]. VCSEL vist i figuren er en bunnemitterende modus, og det er også toppemitterende moduser.

For halvlederlasere, for å injisere elektroner i det aktive området, plasseres det aktive området vanligvis i et PN-kryss, elektroner injiseres i det aktive området gjennom N-laget, og hull injiseres i det aktive området gjennom P-laget. For å oppnå høy lasereffektivitet er det aktive området generelt ikke dopet. Imidlertid er det bakgrunnsurenheter i halvlederbrikken under vekstprosessen, og den aktive regionen er ikke en ideell iboende halvleder. Når de injiserte bærerne kombineres med urenheter, vil levetiden til bærerne reduseres, noe som resulterer i en reduksjon i laserens lasereffektivitet, men samtidig vil det øke modulasjonshastigheten til laseren, så noen ganger er den aktive regionen dopet med vilje. Øk modulasjonshastigheten samtidig som ytelsen sikres.

I tillegg kan vi se fra forrige introduksjon av DBR at den effektive hulromslengden til VCSEL er tykkelsen på det aktive området pluss penetrasjonsdybden til DBR på begge sider. Det aktive området til VCSEL er tynt, og den totale lengden av resonanshulen er vanligvis flere mikron. EEL bruker kantutslipp, og hulromslengden er vanligvis flere hundre mikron. Derfor har VCSEL en kortere hulromslengde, en større avstand mellom langsgående moduser og bedre single longitudinelle moduskarakteristikk. I tillegg er volumet av det aktive området til VCSEL også mindre (0,07 kubikk mikron, mens EEL generelt er 60 kubikk mikron), så terskelstrømmen til VCSEL er også lavere. Å redusere volumet av det aktive området krymper imidlertid resonanshulen, noe som vil øke tapet og øke elektrontettheten som kreves for oscillasjon. Det er nødvendig å øke reflektiviteten til resonanshulen, så VCSEL må forberede en DBR med høy reflektivitet. . Det er imidlertid en optimal reflektivitet for maksimal lyseffekt, noe som ikke betyr at jo høyere reflektivitet, jo bedre. Hvordan redusere lystap og klargjøre høyreflekterende speil har alltid vært en teknisk vanskelighet.