Laser emissor de superfície de cavidade vertical

O laser emissor de superfície de cavidade vertical é uma nova geração de laser semicondutor que vem se desenvolvendo rapidamente nos últimos anos. A chamada "emissão de superfície de cavidade vertical" significa que a direção de emissão do laser é perpendicular ao plano de clivagem ou superfície do substrato. Outro método de emissão correspondente é denominado "emissão de borda". Os lasers semicondutores tradicionais adotam um modo de emissão de borda, ou seja, a direção de emissão do laser é paralela à superfície do substrato. Este tipo de laser é denominado laser emissor de borda (EEL). Comparado com a EEL, o VCSEL tem as vantagens de boa qualidade de feixe, saída monomodo, alta largura de banda de modulação, longa vida, fácil integração e teste, etc., por isso tem sido amplamente utilizado em comunicações ópticas, display óptico, detecção óptica e outros Campos.

Para entender de forma mais intuitiva e específica o que é “emissão vertical”, precisamos primeiro entender a composição e estrutura do VCSEL. Aqui apresentamos o VCSEL limitado à oxidação:

A estrutura básica do VCSEL inclui de cima para baixo: eletrodo de contato ôhmico tipo P, DBR dopado tipo P, camada de confinamento de óxido, região ativa de poço multiquântico, DBR dopado tipo N, substrato e eletrodo de contato ôhmico tipo N. Aqui está uma visão transversal da estrutura VCSEL [1]. A área ativa do VCSEL está imprensada entre os espelhos DBR em ambos os lados, que juntos formam uma cavidade ressonante Fabry-Perot. O feedback óptico é fornecido pelos DBRs em ambos os lados. Normalmente, a refletividade do DBR é próxima de 100%, enquanto a refletividade do DBR superior é relativamente menor. Durante a operação, a corrente é injetada através da camada de óxido acima da área ativa através dos eletrodos em ambos os lados, o que formará radiação estimulada na área ativa para obter a saída do laser. A direção de saída do laser é perpendicular à superfície da área ativa, passa pela superfície da camada de confinamento e é emitida pelo espelho DBR de baixa refletividade.

Depois de compreender a estrutura básica, é fácil entender o que significam respectivamente a chamada “emissão vertical” e “emissão paralela”. A figura a seguir mostra os métodos de emissão de luz de VCSEL e EEL respectivamente [4]. O VCSEL mostrado na figura é um modo de emissão inferior e também existem modos de emissão superior.

Para lasers semicondutores, para injetar elétrons na área ativa, a área ativa geralmente é colocada em uma junção PN, os elétrons são injetados na área ativa através da camada N e os buracos são injetados na área ativa através da camada P. Para obter alta eficiência de laser, a região ativa geralmente não é dopada. No entanto, existem impurezas de fundo no chip semicondutor durante o processo de crescimento, e a região ativa não é um semicondutor intrínseco ideal. Quando os portadores injetados se combinam com impurezas, a vida útil dos portadores será reduzida, resultando em uma redução na eficiência do laser do laser, mas ao mesmo tempo aumentará a taxa de modulação do laser, então às vezes a região ativa é dopado intencionalmente. Aumente a taxa de modulação garantindo o desempenho.

Além disso, podemos ver na introdução anterior do DBR que o comprimento efetivo da cavidade do VCSEL é a espessura da área ativa mais a profundidade de penetração do DBR em ambos os lados. A área ativa do VCSEL é fina e o comprimento total da cavidade ressonante é geralmente de vários mícrons. EEL usa emissão de borda e o comprimento da cavidade é geralmente de várias centenas de mícrons. Portanto, o VCSEL possui um comprimento de cavidade mais curto, uma distância maior entre os modos longitudinais e melhores características do modo longitudinal único. Além disso, o volume da área ativa do VCSEL também é menor (0,07 mícrons cúbicos, enquanto o EEL é geralmente de 60 mícrons cúbicos), portanto a corrente limite do VCSEL também é menor. No entanto, a redução do volume da área ativa encolhe a cavidade ressonante, o que aumentará a perda e aumentará a densidade eletrônica necessária para a oscilação. É necessário aumentar a refletividade da cavidade ressonante, por isso o VCSEL precisa preparar um DBR com alta refletividade. . No entanto, existe uma refletividade ideal para a saída máxima de luz, o que não significa que quanto maior a refletividade, melhor. Como reduzir a perda de luz e preparar espelhos de alta refletividade sempre foi uma dificuldade técnica.