Verticaal holteoppervlak dat laser uitzendt

Verticale holte-oppervlakte-emitterende laser is een nieuwe generatie halfgeleiderlasers die zich de afgelopen jaren snel heeft ontwikkeld. De zogenaamde "oppervlakte-emissie met verticale holte" betekent dat de richting van de laseremissie loodrecht staat op het splijtvlak of het substraatoppervlak. Een andere emissiemethode die daarmee overeenkomt, wordt "randemissie" genoemd. Traditionele halfgeleiderlasers gebruiken een randemitterende modus, dat wil zeggen dat de laseremissierichting evenwijdig is aan het substraatoppervlak. Dit type laser wordt een edge-emitting laser (EEL) genoemd. Vergeleken met EEL heeft VCSEL de voordelen van een goede straalkwaliteit, single-mode output, hoge modulatiebandbreedte, lange levensduur, gemakkelijke integratie en testen, enz., Daarom wordt het veel gebruikt in optische communicatie, optische weergave, optische detectie en andere velden.

Om intuïtiever en specifieker te begrijpen wat "verticale emissie" is, moeten we eerst de samenstelling en structuur van VCSEL begrijpen. Hier introduceren we de oxidatie-gelimiteerde VCSEL:

De basisstructuur van VCSEL omvat van boven naar beneden: P-type ohmse contactelektrode, P-type gedoteerde DBR, oxide-opsluitingslaag, multi-kwantum goed actief gebied, N-type gedoteerde DBR, substraat en N-type ohmse contactelektrode. Hier is een dwarsdoorsnede van de VCSEL-structuur [1]. Het actieve gebied van de VCSEL is aan beide zijden ingeklemd tussen de DBR-spiegels, die samen een Fabry-Perot-resonantieholte vormen. De optische feedback wordt verzorgd door de DBR's aan beide zijden. Gewoonlijk ligt de reflectiviteit van DBR dicht bij 100%, terwijl de reflectiviteit van de bovenste DBR relatief lager is. Tijdens bedrijf wordt via de elektroden aan beide zijden stroom door de oxidelaag boven het actieve gebied geïnjecteerd, waardoor gestimuleerde straling in het actieve gebied wordt gevormd om laseruitvoer te bereiken. De uitgangsrichting van de laser staat loodrecht op het oppervlak van het actieve gebied, gaat door het oppervlak van de opsluitingslaag en wordt uitgezonden door de DBR-spiegel met laag reflectievermogen.

Na het begrijpen van de basisstructuur is het gemakkelijk te begrijpen wat respectievelijk de zogenaamde "verticale emissie" en "parallelle emissie" betekenen. De volgende afbeelding toont de lichtemissiemethoden van respectievelijk VCSEL en EEL [4]. De VCSEL die in de figuur wordt weergegeven, is een modus met lage emissies, en er zijn ook modi met hoge emissies.

Om elektronen in het actieve gebied te injecteren, wordt bij halfgeleiderlasers het actieve gebied gewoonlijk in een PN-overgang geplaatst, worden elektronen via de N-laag in het actieve gebied geïnjecteerd en worden er gaten in het actieve gebied geïnjecteerd via de P-laag. Om een ​​hoge laserefficiëntie te verkrijgen, is het actieve gebied in het algemeen niet gedoteerd. Er zijn echter achtergrondonzuiverheden in de halfgeleiderchip tijdens het groeiproces, en het actieve gebied is geen ideale intrinsieke halfgeleider. Wanneer de geïnjecteerde dragers zich combineren met onzuiverheden, zal de levensduur van de dragers worden verkort, wat resulteert in een vermindering van de laserefficiëntie van de laser, maar tegelijkertijd zal de modulatiesnelheid van de laser toenemen, dus soms wordt het actieve gebied opzettelijk gedoteerd. Verhoog de modulatiesnelheid en zorg tegelijkertijd voor prestaties.

Bovendien kunnen we uit de eerdere introductie van DBR zien dat de effectieve holtelengte van VCSEL de dikte van het actieve gebied plus de penetratiediepte van DBR aan beide zijden is. Het actieve gebied van VCSEL is dun en de totale lengte van de resonantieholte bedraagt ​​gewoonlijk enkele microns. EEL maakt gebruik van randemissie en de lengte van de holte bedraagt ​​over het algemeen enkele honderden micron. Daarom heeft VCSEL een kortere holtelengte, een grotere afstand tussen longitudinale modi en betere kenmerken van de enkele longitudinale modus. Bovendien is het volume van het actieve gebied van VCSEL ook kleiner (0,07 kubieke micron, terwijl EEL over het algemeen 60 kubieke micron is), dus de drempelstroom van VCSEL is ook lager. Door het volume van het actieve gebied te verkleinen, krimpt de resonantieholte echter, waardoor het verlies toeneemt en de elektronendichtheid die nodig is voor oscillatie toeneemt. Het is noodzakelijk om de reflectiviteit van de resonantieholte te vergroten, dus moet VCSEL een DBR met hoge reflectiviteit voorbereiden. . Er is echter een optimale reflectiviteit voor maximale lichtopbrengst, wat niet betekent dat hoe hoger de reflectiviteit, hoe beter. Het verminderen van lichtverlies en het maken van spiegels met een hoog reflectievermogen is altijd een technisch probleem geweest.