Laser ad emissione superficiale con cavità verticale

Il laser a emissione superficiale a cavità verticale è una nuova generazione di laser a semiconduttore che si è sviluppata rapidamente negli ultimi anni. La cosiddetta "emissione superficiale della cavità verticale" significa che la direzione dell'emissione del laser è perpendicolare al piano di clivaggio o alla superficie del substrato. Un altro metodo di emissione ad esso corrispondente è chiamato "emissione edge". I laser a semiconduttore tradizionali adottano una modalità di emissione laterale, ovvero la direzione di emissione del laser è parallela alla superficie del substrato. Questo tipo di laser è chiamato laser a emissione di bordi (EEL). Rispetto a EEL, VCSEL presenta i vantaggi di buona qualità del raggio, uscita monomodale, larghezza di banda ad alta modulazione, lunga durata, facile integrazione e test, ecc., quindi è stato ampiamente utilizzato nelle comunicazioni ottiche, display ottici, rilevamento ottico e altri campi.

Per poter comprendere in modo più intuitivo e specifico cos'è l'“emissione verticale”, occorre prima comprendere la composizione e la struttura del VCSEL. Qui introduciamo il VCSEL limitato all'ossidazione:

La struttura di base di VCSEL comprende dall'alto verso il basso: elettrodo di contatto ohmico di tipo P, DBR drogato di tipo P, strato di confinamento di ossido, regione attiva del pozzo multiquantico, DBR drogato di tipo N, substrato ed elettrodo di contatto ohmico di tipo N. Ecco una vista in sezione trasversale della struttura VCSEL [1]. L'area attiva del VCSEL è inserita tra gli specchi DBR su entrambi i lati, che insieme formano una cavità risonante Fabry-Perot. Il feedback ottico è fornito dai DBR su entrambi i lati. Di solito, la riflettività del DBR è vicina al 100%, mentre la riflettività del DBR superiore è relativamente inferiore. Durante il funzionamento, la corrente viene iniettata attraverso lo strato di ossido sopra l'area attiva attraverso gli elettrodi su entrambi i lati, che formeranno radiazione stimolata nell'area attiva per ottenere l'emissione del laser. La direzione di uscita del laser è perpendicolare alla superficie dell'area attiva, attraversa la superficie dello strato di confinamento ed è emessa dallo specchio DBR a bassa riflettività.

Dopo aver compreso la struttura di base è facile comprendere cosa significhino rispettivamente la cosiddetta “emissione verticale” e la “emissione parallela”. La figura seguente mostra i metodi di emissione della luce rispettivamente di VCSEL e EEL [4]. Il VCSEL mostrato in figura è una modalità di emissione dal basso e sono disponibili anche modalità di emissione dall'alto.

Per i laser a semiconduttore, per iniettare elettroni nell'area attiva, l'area attiva viene solitamente posizionata in una giunzione PN, gli elettroni vengono iniettati nell'area attiva attraverso lo strato N e i fori vengono iniettati nell'area attiva attraverso lo strato P. Per ottenere un'elevata efficienza del laser, la regione attiva generalmente non viene drogata. Tuttavia, durante il processo di crescita sono presenti impurità di fondo nel chip semiconduttore e la regione attiva non è un semiconduttore intrinseco ideale. Quando i trasportatori iniettati si combinano con le impurità, la durata dei trasportatori verrà ridotta, con conseguente riduzione dell'efficienza laser del laser, ma allo stesso tempo aumenterà la velocità di modulazione del laser, quindi a volte la regione attiva è drogato intenzionalmente. Aumentare la velocità di modulazione garantendo al tempo stesso le prestazioni.

Inoltre, possiamo vedere dalla precedente introduzione del DBR che la lunghezza effettiva della cavità del VCSEL è pari allo spessore dell'area attiva più la profondità di penetrazione del DBR su entrambi i lati. L'area attiva del VCSEL è sottile e la lunghezza complessiva della cavità risonante è solitamente di diversi micron. L'EEL utilizza l'emissione laterale e la lunghezza della cavità è generalmente di diverse centinaia di micron. Pertanto, VCSEL ha una lunghezza della cavità più breve, una distanza maggiore tra i modi longitudinali e migliori caratteristiche del singolo modo longitudinale. Inoltre, anche il volume dell'area attiva del VCSEL è inferiore (0,07 micron cubi, mentre l'EEL è generalmente di 60 micron cubi), quindi anche la corrente di soglia del VCSEL è inferiore. Tuttavia, riducendo il volume dell'area attiva, si restringe la cavità risonante, il che aumenterà la perdita e aumenterà la densità elettronica richiesta per l'oscillazione. È necessario aumentare la riflettività della cavità risonante, quindi VCSEL deve preparare un DBR con elevata riflettività. . Tuttavia, esiste una riflettività ottimale per la massima emissione luminosa, il che non significa che maggiore è la riflettività, meglio è. Come ridurre la perdita di luce e preparare specchi ad alta riflettività è sempre stata una difficoltà tecnica.