سطح التجويف العمودي الذي ينبعث منه الليزر

يعد الليزر الذي ينبعث من سطح التجويف العمودي جيلًا جديدًا من ليزر أشباه الموصلات الذي تم تطويره بسرعة في السنوات الأخيرة. ما يسمى بـ "انبعاث سطح التجويف العمودي" يعني أن اتجاه انبعاث الليزر يكون عموديًا على مستوى الانقسام أو سطح الركيزة. هناك طريقة أخرى للانبعاث تتوافق معها تسمى "انبعاث الحافة". تعتمد ليزرات أشباه الموصلات التقليدية وضع انبعاث الحافة، أي أن اتجاه انبعاث الليزر يكون موازيًا لسطح الركيزة. يُسمى هذا النوع من الليزر بالليزر الباعث للحافة (EEL). بالمقارنة مع EEL، يتمتع VCSEL بمزايا جودة الشعاع الجيدة، والإخراج أحادي الوضع، وعرض نطاق التعديل العالي، والعمر الطويل، وسهولة التكامل والاختبار، وما إلى ذلك، لذلك تم استخدامه على نطاق واسع في الاتصالات البصرية، والعرض البصري، والاستشعار البصري وغيرها. مجالات.

من أجل أن نفهم بشكل أكثر حدسية وتحديدًا ما هو "الانبعاث الرأسي"، نحتاج أولاً إلى فهم تكوين وهيكل VCSEL. نقدم هنا VCSEL محدود الأكسدة:

يشتمل الهيكل الأساسي لـ VCSEL من الأعلى إلى الأسفل: قطب التلامس الأومي من النوع P، وDBR المخدر من النوع P، وطبقة حبس الأكسيد، ومنطقة نشطة متعددة الكم، وDBR المخدر من النوع N، والركيزة، وقطب التلامس الأومي من النوع N. فيما يلي عرض مقطعي لهيكل VCSEL [1]. تقع المنطقة النشطة من VCSEL بين مرايا DBR على كلا الجانبين، والتي تشكل معًا تجويف رنين Fabry-Perot. يتم توفير ردود الفعل البصرية من خلال DBRs على كلا الجانبين. عادةً ما تكون انعكاسية DBR قريبة من 100%، في حين أن انعكاسية DBR العلوية أقل نسبيًا. أثناء التشغيل، يتم حقن التيار من خلال طبقة الأكسيد الموجودة فوق المنطقة النشطة من خلال الأقطاب الكهربائية الموجودة على كلا الجانبين، والتي ستشكل إشعاعًا محفزًا في المنطقة النشطة لتحقيق مخرجات الليزر. يكون اتجاه خرج الليزر عموديًا على سطح المنطقة النشطة، ويمر عبر سطح طبقة الحبس، وينبعث من مرآة DBR منخفضة الانعكاس.

بعد فهم البنية الأساسية، من السهل أن نفهم ما يسمى بـ "الانبعاث الرأسي" و"الانبعاث الموازي" على التوالي. يوضح الشكل التالي طرق انبعاث الضوء لـ VCSEL وEEL على التوالي [4]. إن VCSEL الموضح في الشكل هو وضع انبعاث من الأسفل، وهناك أيضًا أوضاع انبعاث من الأعلى.

بالنسبة لأشعة ليزر أشباه الموصلات، من أجل حقن الإلكترونات في المنطقة النشطة، يتم وضع المنطقة النشطة عادةً في تقاطع PN، ويتم حقن الإلكترونات في المنطقة النشطة من خلال الطبقة N، ويتم حقن الثقوب في المنطقة النشطة من خلال الطبقة P. من أجل الحصول على كفاءة ليزر عالية، لا يتم تخدير المنطقة النشطة بشكل عام. ومع ذلك، هناك شوائب خلفية في شريحة أشباه الموصلات أثناء عملية النمو، والمنطقة النشطة ليست شبه موصل جوهري مثالي. عندما تتحد الناقلات المحقونة مع الشوائب، سيتم تقليل عمر الناقلات، مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة الليزر في الليزر، ولكن في نفس الوقت سيزيد من معدل تعديل الليزر، لذلك في بعض الأحيان تكون المنطقة النشطة مخدر عمدا. زيادة معدل التعديل مع ضمان الأداء.

بالإضافة إلى ذلك، يمكننا أن نرى من المقدمة السابقة لـ DBR أن طول التجويف الفعال لـ VCSEL هو سمك المنطقة النشطة بالإضافة إلى عمق اختراق DBR على كلا الجانبين. المنطقة النشطة لـ VCSEL رقيقة، والطول الإجمالي لتجويف الرنين عادة ما يكون عدة ميكرونات. يستخدم EEL انبعاث الحافة، ويبلغ طول التجويف بشكل عام عدة مئات من الميكرونات. ولذلك، VCSEL لديه طول تجويف أقصر، ومسافة أكبر بين الأوضاع الطولية، وخصائص الوضع الطولي الفردي أفضل. بالإضافة إلى ذلك، فإن حجم المنطقة النشطة لـ VCSEL أصغر أيضًا (0.07 ميكرون مكعب، بينما يبلغ EEL بشكل عام 60 ميكرون مكعب)، وبالتالي فإن عتبة تيار VCSEL أقل أيضًا. ومع ذلك، فإن تقليل حجم المنطقة النشطة يؤدي إلى تقليص تجويف الرنين، مما سيؤدي إلى زيادة الفقد وزيادة كثافة الإلكترون المطلوبة للتذبذب. من الضروري زيادة انعكاسية تجويف الرنين، لذلك يحتاج VCSEL إلى إعداد DBR ذو انعكاسية عالية. . ومع ذلك، هناك انعكاس مثالي لأقصى قدر من الضوء الناتج، وهذا لا يعني أنه كلما زادت الانعكاسية، كلما كان ذلك أفضل. لطالما كانت كيفية تقليل فقدان الضوء وإعداد مرايا عالية الانعكاس بمثابة صعوبة فنية.