Лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором

Лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором — это новое поколение полупроводниковых лазеров, которое быстро развивается в последние годы. Так называемое «излучение с вертикальной поверхности резонатора» означает, что направление лазерного излучения перпендикулярно плоскости скола или поверхности подложки. Другой соответствующий ему метод эмиссии называется «краевой эмиссией». Традиционные полупроводниковые лазеры используют режим краевого излучения, то есть направление лазерного излучения параллельно поверхности подложки. Этот тип лазера называется лазером краевого излучения (EEL). По сравнению с EEL, VCSEL обладает преимуществами хорошего качества луча, одномодового выхода, широкой полосы модуляции, длительного срока службы, простоты интеграции и тестирования и т. д., поэтому он широко используется в оптической связи, оптических дисплеях, оптических датчиках и других устройствах. поля.

Чтобы более интуитивно и конкретно понять, что такое «вертикальное излучение», нам необходимо сначала понять состав и структуру VCSEL. Здесь мы представляем VCSEL с ограничением окисления:

Базовая структура VCSEL включает сверху вниз: омический контактный электрод P-типа, легированный DBR P-типа, оксидный удерживающий слой, активную область многоквантовой ямы, легированный DBR N-типа, подложку и омический контактный электрод N-типа. Вот поперечное сечение структуры VCSEL [1]. Активная область VCSEL зажата с обеих сторон между зеркалами DBR, которые вместе образуют резонансную полость Фабри-Перо. Оптическая обратная связь обеспечивается DBR с обеих сторон. Обычно отражательная способность DBR близка к 100%, тогда как отражательная способность верхнего DBR относительно ниже. Во время работы ток подается через оксидный слой над активной областью через электроды с обеих сторон, что формирует стимулированное излучение в активной области для достижения мощности лазера. Направление излучения лазера перпендикулярно поверхности активной области, проходит через поверхность удерживающего слоя и излучается из низкоотражающего зеркала РБО.

Поняв базовую структуру, легко понять, что означают так называемое «вертикальное излучение» и «параллельное излучение» соответственно. На следующем рисунке показаны методы излучения света VCSEL и EEL соответственно [4]. Показанный на рисунке VCSEL представляет собой режим с нижним излучением, но существуют также режимы с верхним излучением.

В полупроводниковых лазерах для инжекции электронов в активную область активную область обычно помещают в PN-переход, электроны инжектируются в активную область через слой N, а дырки инжектируются в активную область через слой P. Для получения высокой эффективности генерации активную область обычно не легируют. Однако в процессе роста в полупроводниковом чипе присутствуют фоновые примеси, и активная область не является идеальным собственным полупроводником. Когда инжектированные носители объединяются с примесями, время жизни носителей будет сокращаться, что приведет к снижению эффективности генерации лазера, но в то же время увеличит скорость модуляции лазера, поэтому иногда активная область намеренно допинг. Увеличьте скорость модуляции, обеспечив при этом производительность.

Кроме того, из предыдущего введения DBR мы видим, что эффективная длина резонатора VCSEL равна толщине активной области плюс глубина проникновения DBR с обеих сторон. Активная область VCSEL тонкая, а общая длина резонансной полости обычно составляет несколько микрон. В ЭЭЛ используется краевая эмиссия, а длина резонатора обычно составляет несколько сотен микрон. Таким образом, VCSEL имеет меньшую длину резонатора, большее расстояние между продольными модами и лучшие характеристики одной продольной моды. Кроме того, объем активной области VCSEL также меньше (0,07 кубических микрон, тогда как EEL обычно составляет 60 кубических микрон), поэтому пороговый ток VCSEL также ниже. Однако уменьшение объема активной области сжимает резонансную полость, что увеличивает потери и увеличивает плотность электронов, необходимую для генерации. Необходимо повысить отражательную способность резонансной полости, поэтому для VCSEL необходимо подготовить РБО с высокой отражательной способностью. . Однако существует оптимальная отражательная способность для максимальной светоотдачи, что не означает, что чем выше отражательная способность, тем лучше. Как уменьшить потери света и подготовить зеркала с высокой отражающей способностью всегда было технической трудностью.