「垂直放出」とは何かをより直感的に、より具体的に理解するためには、まずVCSELの構成と構造を理解する必要があります。ここでは、酸化制限VCSELについて説明します。
VCSELの基本構造は上から下へ:P型オーミックコンタクト電極、P型ドープDBR、酸化物制限層、多重量子井戸活性領域、N型ドープDBR、基板、N型オーミックコンタクト回路を含む。ここではVCSEL構造の断面図である[1]。VCSELの活性領域は両側のDBRミラーの間に挟まれ、それらは一緒にFabry−Perot共振器を形成する。光フィードバックは両側のDBRによって提供される。通常、DBRの反射率は100%に近く、上部DBRの反射率は相対的に低い。動作中、電流は活性領域の上の酸化物層を通って両側の電極を通じて注入され、これは活性領域に誘導放射を形成し、レーザー出力を実現する。レーザの出力方向は活性領域の表面に垂直であり、制限層の表面を通過し、低反射率DBRミラーから放射される。
基本的な構造を知ると、「垂直排出」と「平行排出」とはそれぞれどういう意味なのか分かりやすくなります。下図にVCSELとEELの発光方法をそれぞれ示す[4]。図に示すVCSELはボトムエミッションモードであり、トップエミッションモードもある。
半導体レーザでは、活性領域に電子を注入するために、通常、活性領域をPN接合に配置し、N層を介して活性領域に電子を注入し、P層を介して活性領域に正孔を注入する。高いレーザ放射効率を得るために、通常は活性領域をドープしない。しかしながら、成長過程において、半導体チップには背景不純物が存在し、活性領域は理想的な真性半導体ではない。注入されたキャリアが不純物と結合すると、キャリアの寿命が低下し、レーザのレーザ発光効率が低下するが、同時にレーザの変調速度が増加するため、アクティブ領域が意図的にドーピングされることがある。性能を確保しながら変調速度を向上させる。
また、DBRについての前述の説明から、VCSELの有効空洞長は活性領域の厚さと両側のDBRの貫通深さであることがわかります。VCSELの活性領域は薄く、共振器の全長は通常数ミクロンである。EELはエッジ発光を使用し、キャビティの長さは通常数百ミクロンである。そのため、VCSELはより短いキャビティ長、より大きな縦モード間隔、およびより良い単縦モデル性を有する。また、VCSELの活性領域の体積も小さい(0.07立方ミクロン、EELは通常60立方ミクロン)ため、VCSELのしきい値電流も低い。しかし、活性領域の体積を小さくすると共振器が収縮し、損失が増加し、振動に必要な電子密度が増加する。共振器の反射率を高める必要があるため、VCSELは高い反射率を有するDBRを製造する必要がある。しかし、最大光出力に対して最適な反射率が存在し、これは反射率が高いほど良いという意味ではない。どのようにして光損失を低減するか、高反射率ミラーを製造することは技術的な難題である。