Oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator

Der oberflächenemittierende Vertikalkavitätslaser ist eine neue Generation von Halbleiterlasern, die sich in den letzten Jahren rasant weiterentwickelt hat. Die sogenannte „Vertical Cavity Surface Emission“ bedeutet, dass die Laseremissionsrichtung senkrecht zur Spaltungsebene bzw. Substratoberfläche verläuft. Ein weiteres entsprechendes Emissionsverfahren wird „Kantenemission“ genannt. Herkömmliche Halbleiterlaser verwenden einen kantenemittierenden Modus, d. h. die Laseremissionsrichtung verläuft parallel zur Substratoberfläche. Dieser Lasertyp wird als kantenemittierender Laser (EEL) bezeichnet. Im Vergleich zu EEL bietet VCSEL die Vorteile einer guten Strahlqualität, einer Singlemode-Ausgabe, einer hohen Modulationsbandbreite, einer langen Lebensdauer, einer einfachen Integration und Prüfung usw. und wird daher häufig in der optischen Kommunikation, der optischen Anzeige, der optischen Erfassung und anderen Bereichen eingesetzt Felder.

Um intuitiver und spezifischer zu verstehen, was „vertikale Emission“ ist, müssen wir zunächst die Zusammensetzung und Struktur von VCSEL verstehen. Hier stellen wir das oxidationsbegrenzte VCSEL vor:

Die Grundstruktur von VCSEL umfasst von oben nach unten: ohmsche Kontaktelektrode vom P-Typ, dotierten DBR vom P-Typ, Oxid-Einschlussschicht, aktive Region mit mehreren Quantenmulden, dotierten DBR vom N-Typ, Substrat und ohmsche Kontaktelektrode vom N-Typ. Hier ist eine Querschnittsansicht der VCSEL-Struktur [1]. Der aktive Bereich des VCSEL liegt zwischen den DBR-Spiegeln auf beiden Seiten, die zusammen einen Fabry-Perot-Resonanzhohlraum bilden. Die optische Rückmeldung erfolgt über die DBRs auf beiden Seiten. Normalerweise liegt das Reflexionsvermögen des DBR bei nahezu 100 %, während das Reflexionsvermögen des oberen DBR relativ geringer ist. Während des Betriebs wird durch die Elektroden auf beiden Seiten Strom durch die Oxidschicht über dem aktiven Bereich injiziert, wodurch im aktiven Bereich stimulierte Strahlung erzeugt wird, um eine Laserleistung zu erzielen. Die Ausgangsrichtung des Lasers verläuft senkrecht zur Oberfläche des aktiven Bereichs, durchdringt die Oberfläche der Einschlussschicht und wird vom DBR-Spiegel mit geringem Reflexionsvermögen emittiert.

Nach dem Verständnis der Grundstruktur ist es leicht zu verstehen, was die sogenannte „vertikale Emission“ bzw. „parallele Emission“ bedeutet. Die folgende Abbildung zeigt die Lichtemissionsmethoden von VCSEL bzw. EEL [4]. Der in der Abbildung gezeigte VCSEL ist ein Bottom-Emitting-Modus, und es gibt auch Top-Emitting-Modi.

Um bei Halbleiterlasern Elektronen in den aktiven Bereich zu injizieren, wird der aktive Bereich normalerweise in einem PN-Übergang platziert, Elektronen werden durch die N-Schicht in den aktiven Bereich injiziert und Löcher werden durch die P-Schicht in den aktiven Bereich injiziert. Um eine hohe Lasereffizienz zu erreichen, ist der aktive Bereich im Allgemeinen nicht dotiert. Während des Wachstumsprozesses treten jedoch Hintergrundverunreinigungen im Halbleiterchip auf, und der aktive Bereich ist kein idealer intrinsischer Halbleiter. Wenn sich die injizierten Ladungsträger mit Verunreinigungen verbinden, verringert sich die Lebensdauer der Ladungsträger, was zu einer Verringerung der Lasereffizienz des Lasers führt, aber gleichzeitig erhöht sich die Modulationsrate des Lasers, sodass manchmal der aktive Bereich beeinträchtigt wird absichtlich gedopt. Erhöhen Sie die Modulationsrate und stellen Sie gleichzeitig die Leistung sicher.

Darüber hinaus können wir aus der vorherigen Einführung von DBR ersehen, dass die effektive Hohlraumlänge von VCSEL der Dicke des aktiven Bereichs plus der Eindringtiefe von DBR auf beiden Seiten entspricht. Die aktive Fläche von VCSEL ist dünn und die Gesamtlänge des Resonanzhohlraums beträgt normalerweise mehrere Mikrometer. EEL nutzt Kantenemission und die Hohlraumlänge beträgt im Allgemeinen mehrere hundert Mikrometer. Daher hat VCSEL eine kürzere Hohlraumlänge, einen größeren Abstand zwischen Longitudinalmoden und bessere Eigenschaften einzelner Longitudinalmoden. Darüber hinaus ist auch das Volumen der aktiven Fläche von VCSEL kleiner (0,07 Kubikmikrometer, während EEL im Allgemeinen 60 Kubikmikrometer beträgt), sodass auch der Schwellenstrom von VCSEL niedriger ist. Durch die Verringerung des Volumens des aktiven Bereichs wird jedoch der Resonanzhohlraum verkleinert, was den Verlust erhöht und die für die Schwingung erforderliche Elektronendichte erhöht. Es ist notwendig, das Reflexionsvermögen des Resonanzhohlraums zu erhöhen, daher muss VCSEL einen DBR mit hohem Reflexionsvermögen vorbereiten. . Es gibt jedoch ein optimales Reflexionsvermögen für maximale Lichtausbeute, was nicht bedeutet, dass je höher das Reflexionsvermögen, desto besser. Die Reduzierung des Lichtverlusts und die Herstellung hochreflektierender Spiegel war schon immer eine technische Herausforderung.