Permukaan rongga vertikal memancarkan laser

Laser pemancar permukaan rongga vertikal adalah generasi baru laser semikonduktor yang telah berkembang pesat dalam beberapa tahun terakhir. Yang disebut "emisi permukaan rongga vertikal" berarti arah emisi laser tegak lurus terhadap bidang pembelahan atau permukaan substrat. Metode emisi lain yang terkait dengannya disebut "emisi tepi". Laser semikonduktor tradisional mengadopsi mode pemancaran tepi, yaitu arah emisi laser sejajar dengan permukaan substrat. Jenis laser ini disebut laser pemancar tepi (EEL). Dibandingkan dengan EEL, VCSEL memiliki keunggulan kualitas pancaran yang baik, keluaran mode tunggal, bandwidth modulasi tinggi, umur panjang, integrasi dan pengujian yang mudah, dll., sehingga telah banyak digunakan dalam komunikasi optik, tampilan optik, penginderaan optik dan lainnya bidang.

Untuk memahami secara lebih intuitif dan spesifik apa itu "emisi vertikal", pertama-tama kita perlu memahami komposisi dan struktur VCSEL. Di sini kami memperkenalkan VCSEL terbatas oksidasi:

Struktur dasar VCSEL meliputi dari atas ke bawah: elektroda kontak ohmik tipe-P, DBR yang didoping tipe-P, lapisan kurungan oksida, daerah aktif sumur multi-kuantum, DBR yang didoping tipe-N, substrat dan elektroda kontak ohmik tipe-N. Berikut adalah tampilan penampang struktur VCSEL [1]. Area aktif VCSEL diapit di antara cermin DBR di kedua sisi, yang bersama-sama membentuk rongga resonansi Fabry-Perot. Umpan balik optik disediakan oleh DBR di kedua sisi. Biasanya reflektivitas DBR mendekati 100%, sedangkan reflektivitas DBR atas relatif lebih rendah. Selama operasi, arus disuntikkan melalui lapisan oksida di atas area aktif melalui elektroda di kedua sisi, yang akan membentuk radiasi terstimulasi di area aktif untuk mencapai keluaran laser. Arah keluaran laser tegak lurus terhadap permukaan area aktif, melewati permukaan lapisan kurungan, dan dipancarkan dari cermin DBR dengan reflektifitas rendah.

Setelah memahami struktur dasarnya, mudah untuk memahami apa yang disebut dengan "emisi vertikal" dan "emisi paralel". Gambar berikut menunjukkan metode emisi cahaya VCSEL dan EEL [4]. VCSEL yang ditunjukkan pada gambar adalah mode emisi bawah, dan ada juga mode emisi atas.

Untuk laser semikonduktor, untuk menyuntikkan elektron ke area aktif, area aktif biasanya ditempatkan di sambungan PN, elektron disuntikkan ke area aktif melalui lapisan N, dan lubang disuntikkan ke area aktif melalui lapisan P. Untuk mendapatkan efisiensi penguat yang tinggi, daerah aktif umumnya tidak didoping. Namun, terdapat pengotor latar belakang dalam chip semikonduktor selama proses pertumbuhan, dan daerah aktif bukanlah semikonduktor intrinsik yang ideal. Ketika pembawa yang disuntikkan bergabung dengan pengotor, masa pakai pembawa akan berkurang, yang mengakibatkan penurunan efisiensi penguat laser, namun pada saat yang sama akan meningkatkan laju modulasi laser, sehingga terkadang daerah aktifnya adalah sengaja didoping. Tingkatkan tingkat modulasi sambil memastikan kinerja.

Selain itu, kita dapat melihat dari pengenalan DBR sebelumnya bahwa panjang rongga efektif VCSEL adalah ketebalan area aktif ditambah kedalaman penetrasi DBR pada kedua sisi. Area aktif VCSEL tipis, dan panjang keseluruhan rongga resonansi biasanya beberapa mikron. Belut menggunakan emisi tepi, dan panjang rongga umumnya beberapa ratus mikron. Oleh karena itu, VCSEL memiliki panjang rongga yang lebih pendek, jarak antar mode longitudinal yang lebih besar, dan karakteristik mode longitudinal tunggal yang lebih baik. Selain itu, volume area aktif VCSEL juga lebih kecil (0,07 mikron kubik, sedangkan EEL umumnya 60 mikron kubik), sehingga ambang batas arus VCSEL juga lebih rendah. Namun, pengurangan volume area aktif akan menyusutkan rongga resonansi, yang akan meningkatkan kehilangan dan meningkatkan kerapatan elektron yang diperlukan untuk osilasi. Reflektivitas rongga resonansi perlu ditingkatkan, sehingga VCSEL perlu menyiapkan DBR dengan reflektivitas tinggi. . Namun, terdapat reflektivitas optimal untuk keluaran cahaya maksimum, namun tidak berarti semakin tinggi reflektivitas, semakin baik. Cara mengurangi kehilangan cahaya dan menyiapkan cermin dengan reflektifitas tinggi selalu menjadi kesulitan teknis.