垂直腔面发射激光器
发布:博科斯光电  时间:2024-03-29  浏览:15661
垂直腔面发射激光器,是近年来发展如火如荼的新一代半导体激光器。所谓“垂直腔面发射”,就是指激光出射方向垂直于解理面或衬底表面,与它对应的另一种发射方式叫做“边缘发射”。传统半导体激光器都采用边缘发射的方式,即激光出射方向平行于衬底表面,这种激光器叫做边缘发射激光器(EEL)。和EEL相比,VCSEL具有光束质量好,单模输出,调制带宽高,寿命长,易于集成和测试等优势,所以已经广泛应用在光通信,光显示,光传感等领域。

为了更直观具体的理解什么叫做“垂直发射”,需要先清楚VCSEL的组成结构,这里介绍氧化限制型VCSEL:
VCSEL的基本结构从上到下包括:P型欧姆接触电极,P型掺杂的DBR,氧化限制层,多量子阱有源区,N型掺杂DBR,衬底和N型欧姆接触电极。这里搜罗了一张VCSEL结构的剖面图[1],VCSEL的有源区夹在两侧DBR反射镜中间,共同形成了法布里珀罗谐振腔,光学反馈由两侧的DBR提供,通常下DBR的反射率接近100%,而上DBR的反射率相对低一些。工作时,电流通过两侧电极在有源区上方的氧化层注入,会在有源区形成受激辐射实现激光输出。激光的输出方向垂直于有源区表面,穿过限制层表面,从低反射率的DBR反射镜射出。

对于半导体激光器,为了将电子注入到有源区,通常将有源区放在PN结中,电子通过N层注入到有源区,空穴通过P层注入到有源区。为了获得高的激射效率,有源区一般不掺杂。但是半导体芯片在生长过程中存在背景杂质,有源区并不是理想的本征半导体。注入的载流子和杂质结合,载流子的寿命就会减小,导致激光器的激射效率降低,但同时会提高激光器的调制速率,所以有时也会有意对有源区进行掺杂,在保证性能的前提下提高调制速率。

另外我们从前面DBR的介绍可以看出,VCSEL的有效腔长为有源区的厚度加两侧DBR的穿透深度,而VCSEL的有源区较薄,通常谐振腔总体长度为几个微米,而EEL采用边缘发射的方式,腔长一般在几百微米。所以VCSEL具有较短的腔长,纵模间的间隔比较大,单纵模特性更好。另外VCSEL的有源区的体积也更小(0.07立方微米,而EEL一般60立方微米),所以VCSEL的阈值电流也更低。但减小有源区的体积缩小了谐振腔,会导致损耗增大,就会造成振荡所需的电子密度增大,就必须提高谐振腔的反射率,所以VCSEL需要制备反射率很高的DBR。但是光输出最大存在最佳反射率,也不是说反射率越高越好。如何减小光损耗,制备高反射率的反射镜也一直是一个技术上的难点。
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