Vertical cavity surface na nagpapalabas ng laser

Vertical cavity surface emitting laser ay isang bagong henerasyon ng semiconductor laser na mabilis na umuunlad sa mga nakaraang taon. Ang tinatawag na "vertical cavity surface emission" ay nangangahulugan na ang direksyon ng laser emission ay patayo sa cleavage plane o substrate surface. Ang isa pang paraan ng paglabas na naaayon dito ay tinatawag na "edge emission". Ang mga tradisyunal na semiconductor laser ay gumagamit ng isang edge-emitting mode, iyon ay, ang direksyon ng laser emission ay parallel sa substrate surface. Ang ganitong uri ng laser ay tinatawag na isang edge-emitting laser (EEL). Kung ikukumpara sa EEL, ang VCSEL ay may mga pakinabang ng magandang kalidad ng beam, single-mode na output, mataas na modulation bandwidth, mahabang buhay, madaling pagsasama at pagsubok, atbp., kaya malawak itong ginagamit sa optical communications, optical display, optical sensing at iba pa mga patlang.

Upang maunawaan nang mas intuitive at partikular kung ano ang "vertical emission", kailangan muna nating maunawaan ang komposisyon at istraktura ng VCSEL. Dito ipinakilala namin ang VCSEL na limitado sa oksihenasyon:

Kasama sa pangunahing istraktura ng VCSEL ang mula sa itaas hanggang sa ibaba: P-type na ohmic contact electrode, P-type na doped DBR, oxide confinement layer, multi-quantum well active region, N-type na doped DBR, substrate at N-type na ohmic contact electrode. Narito ang isang cross-sectional view ng VCSEL structure [1]. Ang aktibong lugar ng VCSEL ay nasa pagitan ng mga salamin ng DBR sa magkabilang panig, na magkakasamang bumubuo ng isang Fabry-Perot resonant na lukab. Ang optical feedback ay ibinibigay ng mga DBR sa magkabilang panig. Karaniwan, Ang reflectivity ng DBR ay malapit sa 100%, habang ang reflectivity ng upper DBR ay medyo mas mababa. Sa panahon ng operasyon, ang kasalukuyang ay iniksyon sa pamamagitan ng oxide layer sa itaas ng aktibong lugar sa pamamagitan ng mga electrodes sa magkabilang panig, na bubuo ng stimulated radiation sa aktibong lugar upang makamit ang laser output. Ang direksyon ng output ng laser ay patayo sa ibabaw ng aktibong lugar, dumadaan sa ibabaw ng layer ng pagkakakulong, at ibinubuga mula sa mababang-reflectivity na salamin ng DBR.

Matapos maunawaan ang pangunahing istraktura, madaling maunawaan kung ano ang ibig sabihin ng tinatawag na "vertical emission" at "parallel emission". Ang sumusunod na figure ay nagpapakita ng mga light emission method ng VCSEL at EEL ayon sa pagkakabanggit [4]. Ang VCSEL na ipinapakita sa figure ay isang bottom-emitting mode, at mayroon ding mga top-emitting mode.

Para sa mga semiconductor laser, upang mag-inject ng mga electron sa aktibong lugar, ang aktibong lugar ay karaniwang inilalagay sa isang PN junction, ang mga electron ay ini-inject sa aktibong lugar sa pamamagitan ng N layer, at ang mga butas ay ini-inject sa aktibong lugar sa pamamagitan ng P layer. Upang makakuha ng mataas na kahusayan sa lasing, ang aktibong rehiyon ay karaniwang hindi doped. Gayunpaman, may mga background na dumi sa semiconductor chip sa panahon ng proseso ng paglago, at ang aktibong rehiyon ay hindi isang perpektong intrinsic na semiconductor. Kapag ang mga injected carrier ay pinagsama sa mga impurities, ang buhay ng mga carrier ay mababawasan, na nagreresulta sa isang pagbawas sa lasing efficiency ng laser, ngunit sa parehong oras ito ay tataas ang modulation rate ng laser, kaya minsan ang aktibong rehiyon ay sinadyang doped. Taasan ang modulation rate habang tinitiyak ang performance.

Bilang karagdagan, makikita natin mula sa nakaraang pagpapakilala ng DBR na ang epektibong haba ng cavity ng VCSEL ay ang kapal ng aktibong lugar kasama ang lalim ng pagtagos ng DBR sa magkabilang panig. Ang aktibong bahagi ng VCSEL ay manipis, at ang kabuuang haba ng resonant na lukab ay karaniwang ilang micron. Gumagamit ang EEL ng edge emission, at ang haba ng cavity sa pangkalahatan ay ilang daang microns. Samakatuwid, ang VCSEL ay may mas maikling haba ng cavity, mas malaking distansya sa pagitan ng mga longitudinal mode, at mas mahusay na solong longitudinal mode na mga katangian. Bilang karagdagan, ang volume ng aktibong lugar ng VCSEL ay mas maliit din (0.07 cubic microns, habang ang EEL ay karaniwang 60 cubic microns), kaya ang threshold current ng VCSEL ay mas mababa din. Gayunpaman, ang pagbabawas ng volume ng aktibong lugar ay lumiliit sa resonant na lukab, na magpapataas ng pagkawala at magpapataas ng density ng elektron na kinakailangan para sa oscillation. Kinakailangang pataasin ang reflectivity ng resonant cavity, kaya kailangang maghanda ang VCSEL ng DBR na may mataas na reflectivity. . Gayunpaman, mayroong pinakamainam na reflectivity para sa maximum na output ng liwanag, na hindi nangangahulugan na mas mataas ang reflectivity, mas mabuti. Paano bawasan ang pagkawala ng liwanag at maghanda ng mga salamin na may mataas na repleksiyon ay palaging isang teknikal na kahirapan.