Um intuitiver und spezifischer zu verstehen, was "vertikale Emission" ist, müssen wir zunächst die Zusammensetzung und Struktur von VCSEL verstehen. Hier stellen wir den oxidationslimitierten VCSEL vor:
Die Grundstruktur von VCSEL umfasst von oben nach unten: P-Typ ohmsche Kontaktelektrode, P-Typ dotierte DBR, Oxid-Einschlussschicht, Multi-Quanten gut aktive Region, N-Typ dotierte DBR, Substrat und N-Typ ohmsche Kontaktelektrode. Hier ist eine Querschnittsansicht der VCSEL-Struktur [1]. Der aktive Bereich des VCSEL ist auf beiden Seiten zwischen den DBR-Spiegeln eingeklemmt, die zusammen eine Fabry-Perot Resonanzkavität bilden. Das optische Feedback wird von den DBRs auf beiden Seiten bereitgestellt. Normalerweise ist das Reflexionsvermögen von DBR nahe 100%, während das Reflexionsvermögen des oberen DBR relativ niedriger ist. Während des Betriebs wird Strom durch die Oxidschicht über dem aktiven Bereich durch die Elektroden auf beiden Seiten eingespritzt, die stimulierte Strahlung im aktiven Bereich bildet, um Laserleistung zu erzielen. Die Ausgangsrichtung des Lasers ist senkrecht zur Oberfläche des aktiven Bereichs, durchläuft die Oberfläche der Einschließungsschicht und wird vom reflektierenden DBR-Spiegel emittiert.
Nach dem Verständnis der Grundstruktur ist es leicht zu verstehen, was die sogenannte "vertikale Emission" bzw. "parallele Emission" bedeuten. Die folgende Abbildung zeigt die Lichtemissionsmethoden von VCSEL bzw. EEL [4]. Der in der Abbildung gezeigte VCSEL ist ein Bottom-Emitting Modus, und es gibt auch Top-Emitting Modi.
Bei Halbleiterlasern wird der aktive Bereich normalerweise in einem PN-Übergang platziert, Elektronen werden durch die N-Schicht in den aktiven Bereich injiziert und Löcher in den aktiven Bereich durch die P-Schicht injiziert. Um eine hohe Lasereffizienz zu erzielen, wird die aktive Region in der Regel nicht dotiert. Allerdings gibt es Hintergrundverunreinigungen im Halbleiterchip während des Wachstumsprozesses, und die aktive Region ist kein idealer intrinsischer Halbleiter. Wenn sich die injizierten Träger mit Verunreinigungen verbinden, wird die Lebensdauer der Träger reduziert, was zu einer Verringerung der Lasereffizienz führt, aber gleichzeitig wird die Modulationsrate des Lasers erhöht, so dass manchmal der aktive Bereich absichtlich dotiert wird. Erhöhen Sie die Modulationsrate bei gleichzeitiger Gewährleistung der Leistung.
Darüber hinaus können wir aus der vorherigen Einführung von DBR sehen, dass die effektive Kavitätenlänge von VCSEL die Dicke des aktiven Bereichs plus die Eindringtiefe von DBR auf beiden Seiten ist. Der aktive Bereich von VCSEL ist dünn, und die Gesamtlänge des Resonanzhohls beträgt normalerweise mehrere Mikrometer. EEL verwendet Kantenemission, und die Hohlraumlänge beträgt im Allgemeinen mehrere hundert Mikrometer. Daher hat VCSEL eine kürzere Hohlraumlänge, einen größeren Abstand zwischen Längsmodi und bessere Einzellängsmodeigenschaften. Darüber hinaus ist das Volumen des aktiven Bereichs von VCSEL auch kleiner (0,07 kubische Mikrons, während EEL im Allgemeinen 60 kubische Mikrons ist), so dass der Schwellenstrom von VCSEL auch niedriger ist. Allerdings schrumpft die Verringerung des Volumens des aktiven Bereichs den Resonanzraum, was den Verlust erhöht und die für die Oszillation erforderliche Elektronendichte erhöht. Es ist notwendig, die Reflektivität der Resonanzhöhle zu erhöhen, so dass VCSEL einen DBR mit hoher Reflektivität vorbereiten muss. Es gibt jedoch eine optimale Reflektivität für maximale Lichtleistung, was nicht bedeutet, dass je höher die Reflektivität, desto besser. Wie man Lichtverluste reduziert und Spiegel mit hoher Reflexion vorbereitet, war schon immer eine technische Schwierigkeit.
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