Pystysuoraa kaviteettipintaa emittoiva laser

Pystysuoraa pintaa emittoiva laser on uuden sukupolven puolijohdelaser, joka on kehittynyt nopeasti viime vuosina. Niin sanottu "pystysuora ontelopinnan emissio" tarkoittaa, että lasersäteilyn suunta on kohtisuorassa katkaisutasoon tai substraatin pintaan nähden. Toista sitä vastaavaa päästömenetelmää kutsutaan "reunaemissioksi". Perinteiset puolijohdelaserit käyttävät reunaa emittoivaa moodia, toisin sanoen lasersäteilyn suunta on yhdensuuntainen alustan pinnan kanssa. Tämän tyyppistä laseria kutsutaan reunaa emittoivaksi laseriksi (EEL). EEL:iin verrattuna VCSEL:llä on hyvä säteen laatu, yksimuotoinen lähtö, suuri modulaatiokaistanleveys, pitkä käyttöikä, helppo integrointi ja testaus jne., joten sitä on käytetty laajalti optisessa viestinnässä, optisessa näytössä, optisessa tunnistuksessa ja muissa sovelluksissa. kentät.

Ymmärtääksemme intuitiivisemmin ja tarkemmin mitä "pystypäästö" on, meidän on ensin ymmärrettävä VCSEL:n koostumus ja rakenne. Tässä esittelemme hapettumisrajoitetun VCSEL:n:

VCSEL:n perusrakenne sisältää ylhäältä alas: P-tyypin ohminen kontaktielektrodi, P-tyyppinen seostettu DBR, oksidirajoituskerros, monikvanttikuoppa-aktiivinen alue, N-tyypin seostettu DBR, substraatti ja N-tyypin ohminen kontaktielektrodi. Tässä on poikkileikkauskuva VCSEL-rakenteesta [1]. VCSEL:n aktiivinen alue on kerrostettu DBR-peilien välissä molemmilla puolilla, jotka yhdessä muodostavat Fabry-Perot-resonanssiontelon. Optisen palautteen tarjoavat DBR:t molemmilla puolilla. Yleensä DBR:n heijastavuus on lähellä 100%, kun taas ylemmän DBR:n heijastavuus on suhteellisen alhaisempi. Käytön aikana virtaa ruiskutetaan aktiivisen alueen yläpuolella olevan oksidikerroksen läpi molemmilla puolilla olevien elektrodien kautta, mikä muodostaa stimuloitua säteilyä aktiiviselle alueelle laserulostulon saavuttamiseksi. Laserin lähtösuunta on kohtisuorassa aktiivisen alueen pintaan nähden, kulkee rajoituskerroksen pinnan läpi ja säteilee heikosti heijastavasta DBR-peilistä.

Perusrakenteen ymmärtämisen jälkeen on helppo ymmärtää, mitä ns. "pystyemissio" ja "rinnakkaisemissio" vastaavasti tarkoittavat. Seuraava kuva esittää VCSEL:n ja EEL:n valoemissiomenetelmät [4]. Kuvassa näkyvä VCSEL on alasäteilevä tila, ja siellä on myös yläsäteilytiloja.

Puolijohdelasereissa elektronien ruiskuttamiseksi aktiiviselle alueelle aktiivinen alue sijoitetaan yleensä PN-liitokseen, elektronit ruiskutetaan aktiiviselle alueelle N-kerroksen kautta ja reiät injektoidaan aktiiviselle alueelle P-kerroksen kautta. Korkean laserin tehokkuuden saavuttamiseksi aktiivista aluetta ei yleensä seosteta. Puolijohdesirussa on kuitenkin taustaepäpuhtauksia kasvuprosessin aikana, eikä aktiivinen alue ole ihanteellinen sisäinen puolijohde. Kun ruiskutetut kantoaineet yhdistyvät epäpuhtauksien kanssa, kantoaineiden käyttöikä lyhenee, mikä johtaa laserin laserin tehokkuuden heikkenemiseen, mutta samalla se lisää laserin modulaationopeutta, joten joskus aktiivinen alue on tahallisesti dopattua. Kasvata modulaationopeutta varmistaen samalla suorituskyvyn.

Lisäksi voimme nähdä edellisestä DBR:n esittelystä, että VCSEL:n tehollinen onkalopituus on aktiivisen alueen paksuus plus DBR:n tunkeutumissyvyys molemmilla puolilla. VCSEL:n aktiivinen alue on ohut ja resonanssiontelon kokonaispituus on yleensä useita mikroneja. EEL käyttää reunaemissiota ja onkalon pituus on yleensä useita satoja mikroneja. Siksi VCSEL:llä on lyhyempi ontelopituus, suurempi etäisyys pitkittäismoodien välillä ja paremmat yksittäisen pitkittäismoodin ominaisuudet. Lisäksi VCSEL:n aktiivisen alueen tilavuus on myös pienempi (0,07 kuutiometriä, kun taas EEL on yleensä 60 kuutiometriä), joten myös VCSEL:n kynnysvirta on pienempi. Aktiivisen alueen tilavuuden pienentäminen kuitenkin kutistaa resonanssionteloa, mikä lisää häviötä ja lisää värähtelyyn tarvittavaa elektronitiheyttä. Resonanssiontelon heijastavuutta on lisättävä, joten VCSEL:n on valmistettava DBR, jolla on korkea heijastavuus. . Maksimaalista valotehoa varten on kuitenkin optimaalinen heijastavuus, mikä ei tarkoita, että mitä suurempi heijastavuus, sitä parempi. Valonhäviön vähentäminen ja erittäin heijastavien peilien valmistaminen on aina ollut tekninen ongelma.