Laser, ki oddaja površino navpične votline

Laser s površinskim sevanjem z navpično votlino je nova generacija polprevodniških laserjev, ki se v zadnjih letih hitro razvija. Tako imenovana "površinska emisija navpične votline" pomeni, da je smer laserske emisije pravokotna na ravnino cepitve ali površino substrata. Druga emisijska metoda, ki ji ustreza, se imenuje "robna emisija". Tradicionalni polprevodniški laserji uporabljajo način oddajanja robov, kar pomeni, da je smer laserskega sevanja vzporedna s površino substrata. Ta vrsta laserja se imenuje laser, ki oddaja rob (EEL). V primerjavi z EEL ima VCSEL prednosti dobre kakovosti žarka, enomodnega izhoda, visoke modulacijske pasovne širine, dolge življenjske dobe, enostavne integracije in testiranja itd., zato se pogosto uporablja v optičnih komunikacijah, optičnem prikazu, optičnem zaznavanju in drugih polja.

Da bi bolj intuitivno in natančno razumeli, kaj je "vertikalna emisija", moramo najprej razumeti sestavo in strukturo VCSEL. Tukaj predstavljamo oksidacijsko omejen VCSEL:

Osnovna struktura VCSEL vključuje od zgoraj navzdol: ohmsko kontaktno elektrodo tipa P, dopirano DBR tipa P, omejevalno plast oksida, aktivno območje z več kvantnimi jamicami, dopirano DBR tipa N, substrat in ohmsko kontaktno elektrodo tipa N. Tukaj je pogled v preseku strukture VCSEL [1]. Aktivno območje VCSEL je stisnjeno med zrcali DBR na obeh straneh, ki skupaj tvorita Fabry-Perotovo resonančno votlino. Optične povratne informacije zagotavljajo DBR-ji na obeh straneh. Običajno je odbojnost DBR blizu 100 %, medtem ko je odbojnost zgornjega DBR relativno nižja. Med delovanjem se tok vbrizga skozi oksidno plast nad aktivnim območjem skozi elektrode na obeh straneh, ki bodo oblikovale stimulirano sevanje v aktivnem območju za dosego laserskega izhoda. Izhodna smer laserja je pravokotna na površino aktivnega območja, prehaja skozi površino omejevalne plasti in se oddaja iz zrcala DBR z nizko odbojnostjo.

Po razumevanju osnovne strukture je enostavno razumeti, kaj pomenita tako imenovana "navpična emisija" oziroma "vzporedna emisija". Naslednja slika prikazuje metode svetlobne emisije VCSEL oziroma EEL [4]. VCSEL, prikazan na sliki, je način oddajanja od spodaj, obstajajo pa tudi načini oddajanja od zgoraj.

Pri polprevodniških laserjih je za vbrizgavanje elektronov v aktivno območje aktivno območje običajno postavljeno v PN spoj, elektroni se vbrizgajo v aktivno območje skozi plast N, luknje pa se vbrizgajo v aktivno območje skozi plast P. Da bi dosegli visoko učinkovitost laserja, aktivno območje na splošno ni dopirano. Vendar pa so v polprevodniškem čipu med procesom rasti nečistoče v ozadju in aktivno območje ni idealen intrinzični polprevodnik. Ko se vbrizgani nosilci združijo z nečistočami, se življenjska doba nosilcev skrajša, kar ima za posledico zmanjšanje učinkovitosti laserja, hkrati pa se bo povečala stopnja modulacije laserja, zato je včasih aktivno območje namerno dopingiran. Povečajte stopnjo modulacije in hkrati zagotovite zmogljivost.

Poleg tega lahko iz prejšnje uvedbe DBR vidimo, da je efektivna dolžina votline VCSEL debelina aktivnega območja plus globina prodiranja DBR na obeh straneh. Aktivno območje VCSEL je tanko, celotna dolžina resonančne votline pa je običajno več mikronov. EEL uporablja robno emisijo, dolžina votline pa je na splošno nekaj sto mikronov. Zato ima VCSEL krajšo dolžino votline, večjo razdaljo med vzdolžnima načinoma in boljše značilnosti posameznega vzdolžnega načina. Poleg tega je tudi prostornina aktivne površine VCSEL manjša (0,07 kubičnih mikronov, medtem ko je EEL običajno 60 kubičnih mikronov), zato je tudi mejni tok VCSEL nižji. Vendar pa zmanjšanje prostornine aktivnega območja skrči resonančno votlino, kar bo povečalo izgubo in povečalo gostoto elektronov, potrebno za nihanje. Treba je povečati odbojnost resonančne votline, zato mora VCSEL pripraviti DBR z visoko odbojnostjo. . Vendar pa obstaja optimalna odbojnost za največjo moč svetlobe, kar pa ne pomeni, da višja kot je odbojnost, tem bolje. Kako zmanjšati izgubo svetlobe in pripraviti ogledala z visoko odbojnostjo, je bila vedno tehnična težava.