Láser emisor de superficie de cavidad vertical

El láser de emisión de superficie de cavidad vertical es una nueva generación de láser semiconductor que se ha desarrollado rápidamente en los últimos años. La denominada "emisión de superficie de cavidad vertical" significa que la dirección de emisión del láser es perpendicular al plano de escisión o a la superficie del sustrato. Otro método de emisión correspondiente se denomina "emisión de borde". Los láseres semiconductores tradicionales adoptan un modo de emisión de borde, es decir, la dirección de emisión del láser es paralela a la superficie del sustrato. Este tipo de láser se llama láser de emisión de bordes (EEL). En comparación con EEL, VCSEL tiene las ventajas de buena calidad de haz, salida monomodo, alto ancho de banda de modulación, larga vida útil, fácil integración y pruebas, etc., por lo que se ha utilizado ampliamente en comunicaciones ópticas, visualización óptica, detección óptica y otros. campos.

Para comprender de manera más intuitiva y específica qué es la "emisión vertical", primero debemos comprender la composición y estructura de VCSEL. Aquí presentamos el VCSEL de oxidación limitada:

La estructura básica de VCSEL incluye de arriba a abajo: electrodo de contacto óhmico tipo P, DBR dopado tipo P, capa de confinamiento de óxido, región activa de pozo multicuántico, DBR dopado tipo N, sustrato y electrodo de contacto óhmico tipo N. Aquí hay una vista transversal de la estructura VCSEL [1]. El área activa del VCSEL está intercalada entre los espejos DBR en ambos lados, que juntos forman una cavidad resonante de Fabry-Perot. La retroalimentación óptica la proporcionan los DBR en ambos lados. Por lo general, la reflectividad del DBR es cercana al 100%, mientras que la reflectividad del DBR superior es relativamente menor. Durante la operación, se inyecta corriente a través de la capa de óxido sobre el área activa a través de los electrodos en ambos lados, lo que formará radiación estimulada en el área activa para lograr una salida láser. La dirección de salida del láser es perpendicular a la superficie del área activa, pasa a través de la superficie de la capa de confinamiento y se emite desde el espejo DBR de baja reflectividad.

Después de comprender la estructura básica, es fácil comprender qué significan respectivamente las llamadas "emisiones verticales" y "emisiones paralelas". La siguiente figura muestra los métodos de emisión de luz de VCSEL y EEL respectivamente [4]. El VCSEL que se muestra en la figura es un modo de emisión inferior y también hay modos de emisión superior.

Para los láseres semiconductores, para inyectar electrones en el área activa, el área activa generalmente se coloca en una unión PN, los electrones se inyectan en el área activa a través de la capa N y los huecos se inyectan en el área activa a través de la capa P. Para obtener una alta eficacia láser, la región activa generalmente no está dopada. Sin embargo, existen impurezas de fondo en el chip semiconductor durante el proceso de crecimiento y la región activa no es un semiconductor intrínseco ideal. Cuando los portadores inyectados se combinan con impurezas, la vida útil de los portadores se reducirá, lo que dará como resultado una reducción en la eficiencia láser del láser, pero al mismo tiempo aumentará la tasa de modulación del láser, por lo que a veces la región activa es dopado intencionalmente. Aumente la tasa de modulación mientras garantiza el rendimiento.

Además, podemos ver en la introducción anterior de DBR que la longitud efectiva de la cavidad de VCSEL es el espesor del área activa más la profundidad de penetración de DBR en ambos lados. El área activa de VCSEL es delgada y la longitud total de la cavidad resonante suele ser de varias micras. EEL utiliza emisión de borde y la longitud de la cavidad es generalmente de varios cientos de micrones. Por lo tanto, VCSEL tiene una longitud de cavidad más corta, una distancia mayor entre los modos longitudinales y mejores características del modo longitudinal único. Además, el volumen del área activa de VCSEL también es menor (0,07 micrones cúbicos, mientras que EEL es generalmente de 60 micrones cúbicos), por lo que la corriente umbral de VCSEL también es menor. Sin embargo, al reducir el volumen del área activa se reduce la cavidad resonante, lo que aumentará la pérdida y aumentará la densidad de electrones necesaria para la oscilación. Es necesario aumentar la reflectividad de la cavidad resonante, por lo que VCSEL necesita preparar un DBR con alta reflectividad. . Sin embargo, existe una reflectividad óptima para obtener la máxima emisión de luz, lo que no significa que cuanto mayor sea la reflectividad, mejor. Cómo reducir la pérdida de luz y preparar espejos de alta reflectividad siempre ha sido una dificultad técnica.