Permukaan rongga menegak memancarkan laser

Laser pemancar permukaan rongga menegak adalah generasi baru laser semikonduktor yang telah berkembang pesat dalam beberapa tahun kebelakangan ini. Apa yang dipanggil "pelepasan permukaan rongga menegak" bermaksud bahawa arah pelepasan laser adalah berserenjang dengan satah belahan atau permukaan substrat. Kaedah pelepasan lain yang sepadan dengannya dipanggil "pelepasan tepi". Laser semikonduktor tradisional menggunakan mod pemancar tepi, iaitu, arah pancaran laser selari dengan permukaan substrat. Laser jenis ini dipanggil laser pemancar tepi (EEL). Berbanding dengan EEL, VCSEL mempunyai kelebihan kualiti pancaran yang baik, output mod tunggal, lebar jalur modulasi tinggi, jangka hayat, penyepaduan dan ujian yang mudah, dan lain-lain, jadi ia telah digunakan secara meluas dalam komunikasi optik, paparan optik, penderiaan optik dan lain-lain. padang.

Untuk memahami dengan lebih intuitif dan khusus apa itu "pelepasan menegak", kita perlu terlebih dahulu memahami komposisi dan struktur VCSEL. Di sini kami memperkenalkan VCSEL terhad pengoksidaan:

Struktur asas VCSEL termasuk dari atas ke bawah: Elektrod sentuhan ohmik jenis P, DBR terdop jenis P, lapisan terkurung oksida, kawasan aktif telaga berbilang kuantum, DBR terdop jenis N, substrat dan elektrod sentuhan ohmik jenis N. Berikut ialah pandangan keratan rentas struktur VCSEL [1]. Kawasan aktif VCSEL diapit di antara cermin DBR pada kedua-dua belah, yang bersama-sama membentuk rongga resonan Fabry-Perot. Maklum balas optik disediakan oleh DBR di kedua-dua belah pihak. Biasanya, Pemantulan DBR adalah hampir 100%, manakala pemantulan DBR atas secara relatifnya lebih rendah. Semasa operasi, arus disuntik melalui lapisan oksida di atas kawasan aktif melalui elektrod pada kedua-dua belah pihak, yang akan membentuk sinaran rangsangan di kawasan aktif untuk mencapai output laser. Arah keluaran laser adalah berserenjang dengan permukaan kawasan aktif, melalui permukaan lapisan terkurung, dan dipancarkan daripada cermin DBR pemantulan rendah.

Selepas memahami struktur asas, mudah untuk memahami apa yang dipanggil "pelepasan menegak" dan "pelepasan selari" masing-masing. Rajah berikut menunjukkan kaedah pelepasan cahaya VCSEL dan EEL masing-masing [4]. VCSEL yang ditunjukkan dalam rajah ialah mod pemancar bawah, dan terdapat juga mod pemancar atas.

Untuk laser semikonduktor, untuk menyuntik elektron ke dalam kawasan aktif, kawasan aktif biasanya diletakkan di persimpangan PN, elektron disuntik ke dalam kawasan aktif melalui lapisan N, dan lubang disuntik ke kawasan aktif melalui lapisan P. Untuk mendapatkan kecekapan pengelasan yang tinggi, kawasan aktif biasanya tidak didop. Walau bagaimanapun, terdapat kekotoran latar belakang dalam cip semikonduktor semasa proses pertumbuhan, dan kawasan aktif bukanlah semikonduktor intrinsik yang ideal. Apabila pembawa yang disuntik bergabung dengan kekotoran, jangka hayat pembawa akan dikurangkan, mengakibatkan pengurangan kecekapan pengelasan laser, tetapi pada masa yang sama ia akan meningkatkan kadar modulasi laser, jadi kadangkala kawasan aktif adalah sengaja didop. Meningkatkan kadar modulasi sambil memastikan prestasi.

Di samping itu, kita dapat melihat daripada pengenalan DBR sebelum ini bahawa panjang rongga berkesan VCSEL ialah ketebalan kawasan aktif ditambah kedalaman penembusan DBR pada kedua-dua belah pihak. Kawasan aktif VCSEL adalah nipis, dan panjang keseluruhan rongga resonan biasanya beberapa mikron. EEL menggunakan pelepasan tepi, dan panjang rongga biasanya beberapa ratus mikron. Oleh itu, VCSEL mempunyai panjang rongga yang lebih pendek, jarak yang lebih besar antara mod longitudinal, dan ciri mod membujur tunggal yang lebih baik. Di samping itu, isipadu kawasan aktif VCSEL juga lebih kecil (0.07 mikron padu, manakala EEL biasanya 60 mikron padu), jadi arus ambang VCSEL juga lebih rendah. Walau bagaimanapun, mengurangkan isipadu kawasan aktif mengecutkan rongga resonans, yang akan meningkatkan kehilangan dan meningkatkan ketumpatan elektron yang diperlukan untuk ayunan. Ia adalah perlu untuk meningkatkan pemantulan rongga resonans, jadi VCSEL perlu menyediakan DBR dengan pemantulan tinggi. . Walau bagaimanapun, terdapat pemantulan optimum untuk output cahaya maksimum, yang tidak bermakna semakin tinggi pemantulan, semakin baik. Cara mengurangkan kehilangan cahaya dan menyediakan cermin pemantulan tinggi sentiasa menjadi kesukaran teknikal.