Dikey boşluklu yüzey yayan lazer

Dikey boşluklu yüzey yayan lazer, son yıllarda hızla gelişen yeni nesil bir yarı iletken lazerdir. "Dikey boşluk yüzeyi emisyonu" olarak adlandırılan durum, lazer emisyon yönünün yarılma düzlemine veya alt tabaka yüzeyine dik olduğu anlamına gelir. Buna karşılık gelen diğer bir emisyon yöntemine "kenar emisyonu" denir. Geleneksel yarı iletken lazerler kenar yayma modunu benimser, yani lazer emisyon yönü alt tabaka yüzeyine paraleldir. Bu tip lazere kenar yayan lazer (EEL) adı verilir. EEL ile karşılaştırıldığında VCSEL, iyi ışın kalitesi, tek modlu çıkış, yüksek modülasyon bant genişliği, uzun ömür, kolay entegrasyon ve test vb. avantajlara sahiptir, bu nedenle optik iletişim, optik ekran, optik algılama ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. alanlar.

"Dikey emisyonun" ne olduğunu daha sezgisel ve spesifik olarak anlamak için öncelikle VCSEL'in bileşimini ve yapısını anlamamız gerekir. Burada oksidasyonla sınırlı VCSEL'i tanıtıyoruz:

VCSEL'in temel yapısı yukarıdan aşağıya şunları içerir: P-tipi ohmik kontak elektrotu, P-tipi katkılı DBR, oksit sınırlandırma katmanı, çoklu kuantum kuyusu aktif bölgesi, N-tipi katkılı DBR, substrat ve N-tipi ohmik kontak elektrotu. Burada VCSEL yapısının kesit görünüşü verilmiştir [1]. VCSEL'in aktif alanı, her iki taraftaki DBR aynaları arasına sıkıştırılmıştır ve bunlar birlikte bir Fabry-Perot rezonans boşluğu oluşturur. Optik geri bildirim her iki taraftaki DBR'ler tarafından sağlanır. Genellikle DBR'nin yansıtıcılığı %100'e yakınken, üst DBR'nin yansıtıcılığı nispeten daha düşüktür. Çalışma sırasında, her iki taraftaki elektrotlar aracılığıyla aktif alanın üzerindeki oksit tabakasından akım enjekte edilir ve bu, lazer çıktısını elde etmek için aktif alanda uyarılmış radyasyon oluşturacaktır. Lazerin çıkış yönü aktif alanın yüzeyine diktir, sınırlama katmanının yüzeyinden geçer ve düşük yansıtıcılığa sahip DBR aynasından yayılır.

Temel yapıyı anladıktan sonra sırasıyla "dikey emisyon" ve "paralel emisyon" olarak adlandırılan kavramların ne anlama geldiğini anlamak kolaydır. Aşağıdaki şekil sırasıyla VCSEL ve EEL'in ışık yayma yöntemlerini göstermektedir [4]. Şekilde gösterilen VCSEL, alttan yayılan bir moddur ve ayrıca üstten yayılan modlar da vardır.

Yarı iletken lazerlerde, aktif alana elektron enjekte etmek için aktif alan genellikle bir PN eklemine yerleştirilir, elektronlar aktif alana N katmanı aracılığıyla enjekte edilir ve delikler de aktif alana P katmanı aracılığıyla enjekte edilir. Yüksek lazer verimi elde etmek için aktif bölgeye genellikle katkılama yapılmaz. Bununla birlikte, büyüme süreci sırasında yarı iletken çipte arka planda yabancı maddeler vardır ve aktif bölge ideal bir yarı iletken değildir. Enjekte edilen taşıyıcılar yabancı maddelerle birleştiğinde, taşıyıcıların ömrü azalacak, bu da lazerin lazer etkililiğinde bir azalmaya yol açacak, ancak aynı zamanda lazerin modülasyon oranını da artıracak, dolayısıyla bazen aktif bölge kasıtlı olarak doping yapılmıştır. Performansı sağlarken modülasyon oranını artırın.

Ek olarak, DBR'nin önceki tanıtımından VCSEL'in etkin kavite uzunluğunun, aktif alanın kalınlığı artı DBR'nin her iki taraftaki penetrasyon derinliği olduğunu görebiliriz. VCSEL'in aktif alanı incedir ve rezonans boşluğunun toplam uzunluğu genellikle birkaç mikrondur. EEL kenar emisyonunu kullanır ve boşluk uzunluğu genellikle birkaç yüz mikrondur. Bu nedenle VCSEL daha kısa boşluk uzunluğuna, uzunlamasına modlar arasında daha büyük bir mesafeye ve daha iyi tek boylamsal mod özelliklerine sahiptir. Ek olarak, VCSEL'in aktif alanının hacmi de daha küçüktür (0,07 mikron küp, EEL ise genellikle 60 mikron küptür), dolayısıyla VCSEL'in eşik akımı da daha düşüktür. Ancak aktif alanın hacminin azaltılması rezonans boşluğunu daraltır, bu da kaybı artıracak ve salınım için gereken elektron yoğunluğunu artıracaktır. Rezonans boşluğunun yansıtıcılığının arttırılması gerekmektedir, bu nedenle VCSEL'in yüksek yansıtıcılığa sahip bir DBR hazırlaması gerekmektedir. . Ancak maksimum ışık çıkışı için optimal bir yansıtma vardır; bu, yansıtma ne kadar yüksek olursa o kadar iyi olduğu anlamına gelmez. Işık kaybının nasıl azaltılacağı ve yüksek yansıtıcılığa sahip aynaların nasıl hazırlanacağı her zaman teknik bir zorluk olmuştur.