Vertikaalset õõnsuse pinda kiirgav laser

Vertikaalse õõnsuse pinda kiirgav laser on uue põlvkonna pooljuhtlaser, mis on viimastel aastatel kiiresti arenenud. Niinimetatud "vertikaalse õõnsuse pinna emissioon" tähendab, et laseri emissiooni suund on risti lõiketasandi või substraadi pinnaga. Teist sellele vastavat emissioonimeetodit nimetatakse "servemissiooniks". Traditsioonilised pooljuhtlaserid kasutavad serva kiirgavat režiimi, see tähendab, et laseri emissiooni suund on paralleelne substraadi pinnaga. Seda tüüpi laserit nimetatakse serva kiirgavaks laseriks (EEL). Võrreldes EEL-iga on VCSEL-i eelised: hea kiire kvaliteet, ühemoodiline väljund, suur modulatsiooniriba laius, pikk kasutusiga, lihtne integreerimine ja testimine jne, mistõttu on seda laialdaselt kasutatud optilises sides, optilises ekraanis, optilises anduris ja muus valdkonnas. väljad.

Selleks, et mõista intuitiivsemalt ja konkreetsemalt, mis on "vertikaalne emissioon", peame kõigepealt mõistma VCSEL-i koostist ja struktuuri. Siin tutvustame oksüdatsioonipiiranguga VCSEL-i:

VCSEL-i põhistruktuur sisaldab ülalt alla: P-tüüpi oomilist kontaktelektroodi, P-tüüpi legeeritud DBR-i, oksiidipiirekihti, mitme kvantkaevu aktiivset piirkonda, N-tüüpi legeeritud DBR-i, substraati ja N-tüüpi oomilist kontaktelektroodi. Siin on VCSEL-i struktuuri ristlõige [1]. VCSEL-i aktiivne ala paikneb mõlemal küljel asuvate DBR-peeglite vahel, mis koos moodustavad Fabry-Peroti resonantsõõnsuse. Optilist tagasisidet pakuvad mõlema poole DBR-id. Tavaliselt on DBR-i peegeldusvõime 100% lähedal, samas kui ülemise DBR-i peegeldusvõime on suhteliselt madalam. Töötamise ajal süstitakse voolu läbi aktiivse ala kohal oleva oksiidikihi mõlemal pool asuvate elektroodide kaudu, mis moodustab laserväljundi saavutamiseks aktiivses piirkonnas stimuleeritud kiirguse. Laseri väljundsuund on risti aktiivse ala pinnaga, läbib piirava kihi pinda ja kiirgab madala peegeldusvõimega DBR-peeglist.

Pärast põhistruktuuri mõistmist on lihtne mõista, mida tähendavad vastavalt nn "vertikaalne emissioon" ja "paralleelheide". Järgmisel joonisel on näidatud vastavalt VCSEL-i ja EEL-i valguse emissiooni meetodid [4]. Joonisel kujutatud VCSEL on alt kiirgav režiim ja on ka ülevalt kiirgavaid režiime.

Pooljuhtlaserite puhul paigutatakse elektronide süstimiseks aktiivsesse piirkonda aktiivne ala tavaliselt PN-siirdeossa, elektronid süstitakse N-kihi kaudu aktiivsesse piirkonda ja P-kihi kaudu süstitakse aktiivsesse piirkonda augud. Kõrge laseritõhususe saavutamiseks ei ole aktiivne piirkond üldiselt legeeritud. Kuid pooljuhtkiibis on kasvuprotsessi ajal taustalisandeid ja aktiivne piirkond ei ole ideaalne sisemine pooljuht. Kui süstitud kandjad ühinevad lisanditega, lüheneb kandjate eluiga, mille tulemuseks on laseri laseri efektiivsuse vähenemine, kuid samal ajal suureneb laseri modulatsioonikiirus, nii et mõnikord on aktiivne piirkond tahtlikult dopinguga. Suurendage modulatsiooni kiirust, tagades samal ajal jõudluse.

Lisaks näeme eelmisest DBR-i tutvustusest, et VCSEL-i efektiivne õõnsuse pikkus on aktiivse ala paksus pluss DBR-i läbitungimissügavus mõlemal küljel. VCSEL-i aktiivne piirkond on õhuke ja resonantsõõnsuse kogupikkus on tavaliselt mitu mikronit. EEL kasutab servaemissiooni ja õõnsuse pikkus on tavaliselt mitusada mikronit. Seetõttu on VCSEL-il lühem õõnsuse pikkus, suurem pikisuunaliste režiimide vaheline kaugus ja paremad ühe pikisuunalise režiimi omadused. Lisaks on VCSEL-i aktiivse ala maht ka väiksem (0,07 kuupmikronit, samas kui EEL on üldiselt 60 kuupmikronit), seega on ka VCSEL-i lävivool väiksem. Aktiivse ala ruumala vähendamine aga kahandab resonantsõõnsust, mis suurendab kadu ja suurendab võnkumiseks vajalikku elektrontihedust. Resonantsõõnsuse peegeldusvõimet on vaja suurendada, seetõttu peab VCSEL ette valmistama suure peegeldusvõimega DBR. . Siiski on maksimaalse valguse väljundi jaoks optimaalne peegeldusvõime, mis ei tähenda, et mida suurem on peegeldusvõime, seda parem. Valguskadude vähendamine ja suure peegeldusvõimega peeglite ettevalmistamine on alati olnud tehniline raskus.