Bề mặt khoang dọc phát ra tia laser

Laser phát ra bề mặt khoang dọc là một thế hệ laser bán dẫn mới đang phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây. Cái gọi là "phát xạ bề mặt khoang dọc" có nghĩa là hướng phát xạ laser vuông góc với mặt phẳng phân cắt hoặc bề mặt chất nền. Một phương pháp phát xạ khác tương ứng với nó được gọi là "phát xạ cạnh". Laser bán dẫn truyền thống áp dụng chế độ phát ra cạnh, nghĩa là hướng phát xạ laser song song với bề mặt chất nền. Loại laser này được gọi là laser phát cạnh (EEL). So với EEL, VCSEL có ưu điểm là chất lượng chùm tia tốt, đầu ra chế độ đơn, băng thông điều chế cao, tuổi thọ cao, tích hợp và thử nghiệm dễ dàng, v.v., vì vậy nó đã được sử dụng rộng rãi trong truyền thông quang học, hiển thị quang học, cảm biến quang học và các loại khác lĩnh vực.

Để hiểu trực quan và cụ thể hơn "phát xạ thẳng đứng" là gì, trước tiên chúng ta cần hiểu thành phần và cấu trúc của VCSEL. Ở đây chúng tôi giới thiệu VCSEL bị giới hạn oxy hóa:

Cấu trúc cơ bản của VCSEL bao gồm từ trên xuống dưới: Điện cực tiếp xúc ohm loại P, DBR pha tạp loại P, lớp giam cầm oxit, vùng hoạt động giếng đa lượng tử, DBR pha tạp loại N, chất nền và điện cực tiếp xúc ohmic loại N. Đây là hình ảnh cắt ngang của cấu trúc VCSEL [1]. Vùng hoạt động của VCSEL được kẹp giữa các gương DBR ở cả hai bên, chúng cùng nhau tạo thành khoang cộng hưởng Fabry-Perot. Phản hồi quang học được cung cấp bởi DBR ở cả hai bên. Thông thường, độ phản xạ của DBR gần 100%, trong khi độ phản xạ của DBR phía trên tương đối thấp hơn. Trong quá trình hoạt động, dòng điện được đưa qua lớp oxit phía trên vùng hoạt động thông qua các điện cực ở cả hai bên, sẽ tạo thành bức xạ kích thích trong vùng hoạt động để đạt được công suất laser. Hướng đầu ra của tia laser vuông góc với bề mặt của vùng hoạt động, đi qua bề mặt của lớp giam cầm và được phát ra từ gương DBR có độ phản xạ thấp.

Sau khi hiểu được cấu trúc cơ bản, có thể dễ dàng hiểu được cái gọi là "phát xạ thẳng đứng" và "phát xạ song song" nghĩa là gì. Hình dưới đây thể hiện các phương pháp phát xạ ánh sáng của VCSEL và EEL tương ứng [4]. VCSEL hiển thị trong hình là chế độ phát ra từ dưới lên và cũng có các chế độ phát ra từ trên xuống.

Đối với laser bán dẫn, để bơm electron vào vùng hoạt động, vùng hoạt động thường được đặt trong tiếp giáp PN, electron được đưa vào vùng hoạt động qua lớp N và các lỗ trống được đưa vào vùng hoạt động qua lớp P. Để đạt được hiệu suất phát laser cao, vùng hoạt động thường không được pha tạp. Tuy nhiên, có tạp chất nền trong chip bán dẫn trong quá trình tăng trưởng và vùng hoạt động không phải là chất bán dẫn nội tại lý tưởng. Khi các chất mang được tiêm kết hợp với tạp chất, tuổi thọ của chất mang sẽ giảm, dẫn đến hiệu suất phát laser của laser giảm, nhưng đồng thời nó sẽ làm tăng tốc độ điều chế của laser, do đó đôi khi vùng hoạt động bị giảm. cố ý pha tạp chất. Tăng tốc độ điều chế trong khi vẫn đảm bảo hiệu suất.

Ngoài ra, chúng ta có thể thấy từ phần giới thiệu DBR trước đó rằng chiều dài khoang hiệu dụng của VCSEL là độ dày của vùng hoạt động cộng với độ sâu thâm nhập của DBR ở cả hai phía. Vùng hoạt động của VCSEL mỏng và chiều dài tổng thể của khoang cộng hưởng thường là vài micron. EEL sử dụng phát xạ cạnh và chiều dài khoang thường là vài trăm micron. Do đó, VCSEL có chiều dài khoang ngắn hơn, khoảng cách lớn hơn giữa các chế độ theo chiều dọc và các đặc tính của chế độ theo chiều dọc đơn lẻ tốt hơn. Ngoài ra, thể tích vùng hoạt động của VCSEL cũng nhỏ hơn (0,07 micron khối, trong khi EEL thông thường là 60 micron khối) nên ngưỡng dòng điện của VCSEL cũng thấp hơn. Tuy nhiên, việc giảm thể tích của vùng hoạt động sẽ làm co khoang cộng hưởng, điều này sẽ làm tăng sự tổn thất và tăng mật độ electron cần thiết cho dao động. Cần phải tăng độ phản xạ của khoang cộng hưởng nên VCSEL cần chuẩn bị DBR có độ phản xạ cao. . Tuy nhiên, có độ phản xạ tối ưu để phát ra ánh sáng tối đa, điều đó không có nghĩa là độ phản xạ càng cao thì càng tốt. Làm thế nào để giảm sự thất thoát ánh sáng và chuẩn bị những chiếc gương có độ phản chiếu cao luôn là một khó khăn về mặt kỹ thuật.