Introduktion till halvledarlaser som utsänder vertikal kavitet (VCSEL)

Introduktion till emittering av vertikal kavitetsytahalvledarlaser(VCSEL)
Vertikala externa kavitets ytemitterande lasrar utvecklades i mitten av 1990-talet för att övervinna ett nyckelproblem som har plågat utvecklingen av traditionella halvledarlasrar: hur man producerar laserutgångar med hög effekt med hög strålkvalitet i fundamentalt tvärgående läge.
Vertikala externa kavitets ytemitterande lasrar (Vecsels), även känd somhalvledarskivlasrar(SDL), är en relativt ny medlem av laserfamiljen. Den kan designa emissionsvåglängden genom att ändra materialsammansättningen och tjockleken av kvantbrunnen i halvledarförstärkningsmediet, och i kombination med intrakavitets frekvensfördubbling kan den täcka ett brett våglängdsområde från ultraviolett till långt infrarött, vilket uppnår hög uteffekt samtidigt som en låg divergens bibehålls Vinkel cirkulär symmetrisk laserstråle. Laserresonatorn består av den nedre DBR-strukturen av förstärkningschippet och den externa utgångskopplingsspegeln. Denna unika externa resonatorstruktur gör att optiska element kan sättas in i kaviteten för operationer som frekvensdubbling, frekvensskillnad och lägeslåsning, vilket gör VECSEL till en idealisklaserkällaför tillämpningar som sträcker sig från biofotonik, spektroskopi,lasermedicinoch laserprojektion.
Resonatorn för den VC-ytemitterande halvledarlasern är vinkelrät mot planet där den aktiva regionen är belägen, och dess utgående ljus är vinkelrät mot planet för den aktiva regionen, som visas i figuren. VCSEL har unika fördelar, såsom små storlek, hög frekvens, god strålkvalitet, tröskelvärde för stor hålrumsyta och relativt enkel produktionsprocess. Den visar utmärkt prestanda i tillämpningar av laserdisplay, optisk kommunikation och optisk klocka. Däremot kan VCsels inte erhålla högeffektslasrar över wattnivån, så de kan inte användas i fält med höga effektkrav.

Laserresonatorn hos VCSEL är sammansatt av en distribuerad Bragg-reflektor (DBR) som består av epitaxiell flerskiktsstruktur av halvledarmaterial på både övre och nedre sidorna av det aktiva området, vilket skiljer sig mycket frånlaserresonator sammansatt av klyvningsplan i EEL. Riktningen för den optiska VCSEL-resonatorn är vinkelrät mot chipytan, laserutgången är också vinkelrät mot chipytan och reflektionsförmågan på båda sidor av DBR är mycket högre än den för EEL-lösningsplanet.
Längden på laserresonatorn hos VCSEL är i allmänhet några mikron, vilket är mycket mindre än längden på millimeterresonatorn för EEL, och den envägsförstärkning som erhålls av den optiska fältsvängningen i kaviteten är låg. Även om den grundläggande transversella utsignalen kan uppnås, kan uteffekten bara nå flera milliwatt. Tvärsnittsprofilen för VCSEL-utgångslaserstrålen är cirkulär och divergensvinkeln är mycket mindre än den för den kantutsändande laserstrålen. För att uppnå hög uteffekt av VCSEL är det nödvändigt att öka ljusområdet för att ge mer förstärkning, och ökningen av ljusområdet kommer att göra att utmatningslasern blir en multimodsutgång. Samtidigt är det svårt att uppnå enhetlig ströminjektion i ett stort ljusområde, och den ojämna ströminsprutningen kommer att förvärra spillvärmeackumulering. Kort sagt kan VCSEL mata ut den cirkulära symmetriska punkten i grundläget genom rimlig strukturell design, men utgångseffekten är låg när utgången är enkelläge. Därför integreras ofta flera VCsels i utgångsläget.