Κάθετη επιφάνεια κοιλότητας που εκπέμπει λέιζερ

Το λέιζερ που εκπέμπει κάθετη επιφάνεια κοιλότητας είναι μια νέα γενιά λέιζερ ημιαγωγών που αναπτύσσεται ραγδαία τα τελευταία χρόνια. Η λεγόμενη "έκδοση της επιφάνειας κάθετης κοιλότητας" σημαίνει ότι η κατεύθυνση εκπομπής λέιζερ είναι κάθετη στο επίπεδο διάσπασης ή στην επιφάνεια του υποστρώματος. Μια άλλη μέθοδος εκπομπής που αντιστοιχεί σε αυτήν ονομάζεται «ακραία εκπομπή». Τα παραδοσιακά λέιζερ ημιαγωγών υιοθετούν μια λειτουργία εκπομπής άκρων, δηλαδή η κατεύθυνση εκπομπής λέιζερ είναι παράλληλη με την επιφάνεια του υποστρώματος. Αυτός ο τύπος λέιζερ ονομάζεται λέιζερ εκπομπής άκρων (EEL). Σε σύγκριση με το EEL, το VCSEL έχει τα πλεονεκτήματα της καλής ποιότητας δέσμης, της εξόδου μονής λειτουργίας, του υψηλού εύρους ζώνης διαμόρφωσης, της μεγάλης διάρκειας ζωής, της εύκολης ενσωμάτωσης και δοκιμών κ.λπ., επομένως έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως σε οπτικές επικοινωνίες, οπτική οθόνη, οπτική ανίχνευση και άλλα χωράφια.

Για να κατανοήσουμε πιο διαισθητικά και συγκεκριμένα τι είναι η «κάθετη εκπομπή», πρέπει πρώτα να κατανοήσουμε τη σύνθεση και τη δομή του VCSEL. Εδώ παρουσιάζουμε το VCSEL περιορισμένης οξείδωσης:

Η βασική δομή του VCSEL περιλαμβάνει από πάνω προς τα κάτω: ωμικό ηλεκτρόδιο επαφής τύπου P, DBR με πρόσμειξη τύπου P, στρώμα περιορισμού οξειδίου, ενεργή περιοχή πολλαπλών κβαντικών πηγαδιών, DBR με πρόσμιξη τύπου Ν, υπόστρωμα και ωμικό ηλεκτρόδιο επαφής τύπου Ν. Ακολουθεί μια διατομή της δομής VCSEL [1]. Η ενεργή περιοχή του VCSEL βρίσκεται ανάμεσα στους καθρέφτες DBR και στις δύο πλευρές, οι οποίοι μαζί σχηματίζουν μια κοιλότητα συντονισμού Fabry-Perot. Η οπτική ανάδραση παρέχεται από τα DBR και στις δύο πλευρές. Συνήθως, η ανακλαστικότητα του DBR είναι κοντά στο 100%, ενώ η ανακλαστικότητα του ανώτερου DBR είναι σχετικά χαμηλότερη. Κατά τη λειτουργία, το ρεύμα εγχέεται μέσω του στρώματος οξειδίου πάνω από την ενεργό περιοχή μέσω των ηλεκτροδίων και στις δύο πλευρές, το οποίο θα σχηματίσει διεγερμένη ακτινοβολία στην ενεργό περιοχή για να επιτευχθεί έξοδος λέιζερ. Η κατεύθυνση εξόδου του λέιζερ είναι κάθετη στην επιφάνεια της ενεργού περιοχής, διέρχεται από την επιφάνεια του στρώματος περιορισμού και εκπέμπεται από τον καθρέφτη DBR χαμηλής ανακλαστικότητας.

Αφού κατανοήσουμε τη βασική δομή, είναι εύκολο να καταλάβουμε τι σημαίνει η λεγόμενη «κάθετη εκπομπή» και «παράλληλη εκπομπή» αντίστοιχα. Το παρακάτω σχήμα δείχνει τις μεθόδους εκπομπής φωτός των VCSEL και EEL αντίστοιχα [4]. Το VCSEL που φαίνεται στο σχήμα είναι μια λειτουργία εκπομπής από κάτω και υπάρχουν επίσης τρόποι εκπομπής κορυφής.

Για λέιζερ ημιαγωγών, προκειμένου να εγχυθούν ηλεκτρόνια στην ενεργό περιοχή, η ενεργή περιοχή συνήθως τοποθετείται σε μια σύνδεση PN, τα ηλεκτρόνια εγχέονται στην ενεργή περιοχή μέσω της στιβάδας Ν και οι οπές εγχέονται στην ενεργή περιοχή μέσω της στιβάδας P. Προκειμένου να επιτευχθεί υψηλή απόδοση lasing, η ενεργή περιοχή γενικά δεν είναι ντοπαρισμένη. Ωστόσο, υπάρχουν ακαθαρσίες υποβάθρου στο τσιπ ημιαγωγών κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ανάπτυξης και η ενεργή περιοχή δεν είναι ιδανικός εγγενής ημιαγωγός. Όταν οι εγχυόμενοι φορείς συνδυάζονται με ακαθαρσίες, η διάρκεια ζωής των φορέων θα μειωθεί, με αποτέλεσμα τη μείωση της απόδοσης lasing του λέιζερ, αλλά ταυτόχρονα θα αυξήσει τον ρυθμό διαμόρφωσης του λέιζερ, έτσι μερικές φορές η ενεργή περιοχή είναι εσκεμμένα ντοπαρισμένο. Αυξήστε τον ρυθμό διαμόρφωσης διασφαλίζοντας παράλληλα απόδοση.

Επιπλέον, μπορούμε να δούμε από την προηγούμενη εισαγωγή του DBR ότι το πραγματικό μήκος κοιλότητας του VCSEL είναι το πάχος της ενεργού περιοχής συν το βάθος διείσδυσης του DBR και στις δύο πλευρές. Η ενεργή περιοχή του VCSEL είναι λεπτή και το συνολικό μήκος της κοιλότητας συντονισμού είναι συνήθως αρκετά μικρά. Το EEL χρησιμοποιεί εκπομπή ακμών και το μήκος της κοιλότητας είναι γενικά αρκετές εκατοντάδες μικρά. Επομένως, το VCSEL έχει μικρότερο μήκος κοιλότητας, μεγαλύτερη απόσταση μεταξύ των διαμήκων τρόπων λειτουργίας και καλύτερα χαρακτηριστικά μονής διαμήκους λειτουργίας. Επιπλέον, ο όγκος της ενεργού περιοχής του VCSEL είναι επίσης μικρότερος (0,07 κυβικά μικρά, ενώ το EEL είναι γενικά 60 κυβικά μικρά), επομένως το ρεύμα κατωφλίου του VCSEL είναι επίσης χαμηλότερο. Ωστόσο, η μείωση του όγκου της ενεργού περιοχής συρρικνώνει την κοιλότητα συντονισμού, γεγονός που θα αυξήσει την απώλεια και θα αυξήσει την πυκνότητα ηλεκτρονίων που απαιτείται για την ταλάντωση. Είναι απαραίτητο να αυξηθεί η ανακλαστικότητα της κοιλότητας συντονισμού, επομένως η VCSEL πρέπει να προετοιμάσει ένα DBR με υψηλή ανακλαστικότητα. . Ωστόσο, υπάρχει μια βέλτιστη ανακλαστικότητα για μέγιστη απόδοση φωτός, που δεν σημαίνει ότι όσο μεγαλύτερη είναι η ανακλαστικότητα, τόσο το καλύτερο. Το πώς να μειώσετε την απώλεια φωτός και να προετοιμάσετε καθρέπτες υψηλής ανακλαστικότητας ήταν πάντα μια τεχνική δυσκολία.