لیزر ساطع کننده سطح حفره عمودی

لیزر ساطع کننده سطح حفره عمودی نسل جدیدی از لیزرهای نیمه هادی است که در سال های اخیر به سرعت در حال توسعه بوده است. به اصطلاح "انتشار سطح حفره عمودی" به این معنی است که جهت انتشار لیزر عمود بر سطح برش یا سطح زیرلایه است. یکی دیگر از روش های انتشار مربوط به آن "گسیل لبه" نامیده می شود. لیزرهای نیمه هادی سنتی یک حالت ساطع لبه را اتخاذ می کنند، یعنی جهت انتشار لیزر موازی با سطح بستر است. به این نوع لیزر، لیزر لبه ای (EEL) می گویند. در مقایسه با EEL، VCSEL دارای مزایای کیفیت پرتو خوب، خروجی تک حالت، پهنای باند مدولاسیون بالا، عمر طولانی، ادغام و آزمایش آسان و غیره است، بنابراین به طور گسترده در ارتباطات نوری، نمایشگر نوری، سنجش نوری و موارد دیگر استفاده شده است. زمینه های.

برای درک دقیق تر و مشخص تر "گسیل عمودی"، ابتدا باید ترکیب و ساختار VCSEL را درک کنیم. در اینجا ما VCSEL با اکسیداسیون محدود را معرفی می کنیم:

ساختار اصلی VCSEL از بالا به پایین شامل: الکترود تماس اهمی نوع P، DBR دوپ شده نوع P، لایه محصور کننده اکسید، منطقه فعال چاه کوانتومی چندگانه، DBR دوپ شده از نوع N، الکترود تماسی اهمی زیرلایه و نوع N است. در اینجا یک نمای مقطعی از ساختار VCSEL [1] ارائه شده است. ناحیه فعال VCSEL بین آینه‌های DBR در دو طرف قرار می‌گیرد که با هم یک حفره تشدید Fabry-Pero را تشکیل می‌دهند. بازخورد نوری توسط DBR ها در هر دو طرف ارائه می شود. معمولاً بازتاب DBR نزدیک به 100٪ است در حالی که بازتابندگی DBR بالایی نسبتاً کمتر است. در حین کار، جریان از طریق لایه اکسید بالای ناحیه فعال از طریق الکترودهای دو طرف تزریق می شود که باعث ایجاد تشعشع تحریک شده در ناحیه فعال برای رسیدن به خروجی لیزر می شود. جهت خروجی لیزر بر سطح ناحیه فعال عمود است، از سطح لایه محصور می گذرد و از آینه DBR با بازتاب کم ساطع می شود.

پس از درک ساختار اصلی، به راحتی می توان فهمید که به ترتیب "گسیل عمودی" و "گسیل موازی" به چه معناست. شکل زیر روش های انتشار نور VCSEL و EEL را به ترتیب نشان می دهد [4]. VCSEL نشان داده شده در شکل یک حالت ساطع پایین است و حالت های انتشار بالا نیز وجود دارد.

برای لیزرهای نیمه هادی، به منظور تزریق الکترون به ناحیه فعال، ناحیه فعال معمولاً در یک اتصال PN قرار می گیرد، الکترون ها از طریق لایه N به ناحیه فعال تزریق می شوند و سوراخ ها از طریق لایه P به ناحیه فعال تزریق می شوند. به منظور به دست آوردن راندمان لیزر بالا، منطقه فعال به طور کلی دوپینگ نمی شود. با این حال، ناخالصی های پس زمینه در تراشه نیمه هادی در طول فرآیند رشد وجود دارد و منطقه فعال یک نیمه هادی ذاتی ایده آل نیست. هنگامی که حامل های تزریق شده با ناخالصی ها ترکیب می شوند، طول عمر حامل ها کاهش می یابد و در نتیجه راندمان لیزر لیزر کاهش می یابد، اما در عین حال سرعت مدولاسیون لیزر را افزایش می دهد، بنابراین گاهی اوقات ناحیه فعال لیزر می شود. عمدا دوپینگ شده ضمن اطمینان از عملکرد، نرخ مدولاسیون را افزایش دهید.

علاوه بر این، از معرفی قبلی DBR می‌توان دید که طول حفره موثر VCSEL ضخامت ناحیه فعال به اضافه عمق نفوذ DBR در هر دو طرف است. ناحیه فعال VCSEL نازک است و طول کلی حفره تشدید معمولاً چندین میکرون است. EEL از انتشار لبه استفاده می کند و طول حفره به طور کلی چند صد میکرون است. بنابراین، VCSEL دارای طول حفره کوتاه‌تر، فاصله بیشتر بین حالت‌های طولی و ویژگی‌های حالت تک طولی بهتر است. علاوه بر این، حجم منطقه فعال VCSEL نیز کوچکتر است (0.07 میکرون مکعب، در حالی که EEL به طور کلی 60 میکرون مکعب است)، بنابراین جریان آستانه VCSEL نیز کمتر است. با این حال، کاهش حجم ناحیه فعال، حفره تشدید را منقبض می کند، که باعث افزایش تلفات و افزایش چگالی الکترون مورد نیاز برای نوسان می شود. افزایش بازتاب حفره تشدید ضروری است، بنابراین VCSEL نیاز به تهیه یک DBR با بازتاب بالا دارد. . با این حال، یک بازتاب بهینه برای حداکثر خروجی نور وجود دارد، که به این معنی نیست که هرچه بازتابش بیشتر باشد، بهتر است. نحوه کاهش تلفات نور و تهیه آینه های با بازتاب بالا همیشه یک مشکل فنی بوده است.