เลเซอร์เปล่งแสงพื้นผิวช่องแนวตั้ง

เลเซอร์เปล่งแสงพื้นผิวช่องแนวตั้งเป็นเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์รุ่นใหม่ที่มีการพัฒนาอย่างรวดเร็วในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา สิ่งที่เรียกว่า "การแผ่รังสีพื้นผิวช่องแนวตั้ง" หมายความว่าทิศทางการแผ่รังสีเลเซอร์จะตั้งฉากกับระนาบรอยแยกหรือพื้นผิวของสารตั้งต้น วิธีการปล่อยก๊าซอื่นที่สอดคล้องกับวิธีดังกล่าวเรียกว่า "การปล่อยก๊าซที่ขอบ" เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบดั้งเดิมใช้โหมดการเปล่งขอบ นั่นคือ ทิศทางการเปล่งแสงเลเซอร์จะขนานกับพื้นผิวของวัสดุพิมพ์ เลเซอร์ประเภทนี้เรียกว่าเลเซอร์เปล่งแสงที่ขอบ (EEL) เมื่อเทียบกับ EEL แล้ว VCSEL มีข้อดีคือคุณภาพลำแสงที่ดี เอาต์พุตโหมดเดียว แบนด์วิดธ์การมอดูเลตสูง อายุการใช้งานยาวนาน การบูรณาการและการทดสอบที่ง่ายดาย ฯลฯ ดังนั้นจึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการสื่อสารด้วยแสง จอแสดงผลแบบออปติคอล การตรวจจับด้วยแสง และอื่นๆ สาขา

เพื่อที่จะเข้าใจอย่างสังหรณ์ใจและเจาะจงมากขึ้นว่า "การปล่อยก๊าซแนวตั้ง" คืออะไร เราต้องเข้าใจองค์ประกอบและโครงสร้างของ VCSEL ก่อน ต่อไปนี้เราจะแนะนำ VCSEL แบบจำกัดออกซิเดชัน:

โครงสร้างพื้นฐานของ VCSEL ประกอบด้วยจากบนลงล่าง: อิเล็กโทรดหน้าสัมผัสโอห์มมิกชนิด P, DBR ที่มีการเจือด้วยชนิด P, ชั้นกักเก็บออกไซด์, บริเวณที่ใช้งานได้ดีหลายควอนตัม, DBR ที่เจือด้วยชนิด N, สารตั้งต้น และอิเล็กโทรดหน้าสัมผัสโอห์มมิกชนิด N นี่คือมุมมองภาคตัดขวางของโครงสร้าง VCSEL [1] พื้นที่แอคทีฟของ VCSEL ประกบอยู่ระหว่างกระจก DBR ทั้งสองด้าน ซึ่งรวมกันเป็นช่องเรโซแนนซ์ Fabry-Perot เสียงตอบรับจาก DBR ทั้งสองด้าน โดยปกติแล้ว ค่าการสะท้อนแสงของ DBR จะใกล้เคียงกับ 100% ในขณะที่ค่าการสะท้อนแสงของ DBR ส่วนบนจะค่อนข้างต่ำ ในระหว่างการทำงาน กระแสไฟฟ้าจะถูกฉีดผ่านชั้นออกไซด์เหนือพื้นที่แอคทีฟผ่านอิเล็กโทรดทั้งสองด้าน ซึ่งจะก่อให้เกิดรังสีที่ถูกกระตุ้นในพื้นที่แอคทีฟเพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์ ทิศทางเอาต์พุตของเลเซอร์จะตั้งฉากกับพื้นผิวของพื้นที่ทำงาน ผ่านพื้นผิวของชั้นจำกัด และถูกปล่อยออกมาจากกระจก DBR ที่มีการสะท้อนแสงต่ำ

หลังจากทำความเข้าใจโครงสร้างพื้นฐานแล้ว ก็จะเข้าใจได้ง่ายว่าสิ่งที่เรียกว่า "การแผ่รังสีแนวตั้ง" และ "การแผ่รังสีแบบขนาน" หมายความว่าอย่างไรตามลำดับ รูปต่อไปนี้แสดงวิธีการปล่อยแสงของ VCSEL และ EEL ตามลำดับ [4] VCSEL ที่แสดงในรูปเป็นโหมดการปล่อยแสงด้านล่าง และยังมีโหมดการปล่อยแสงบนอีกด้วย

สำหรับเซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์ เพื่อฉีดอิเล็กตรอนเข้าไปในพื้นที่แอคทีฟ พื้นที่แอคทีฟมักจะถูกวางไว้ที่จุดเชื่อมต่อ PN อิเล็กตรอนจะถูกฉีดเข้าไปในพื้นที่แอคทีฟผ่านชั้น N และรูจะถูกฉีดเข้าไปในพื้นที่แอคทีฟผ่านชั้น P เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพการเลเซอร์ที่สูง โดยทั่วไปบริเวณที่ใช้งานจะไม่ถูกเจือ อย่างไรก็ตาม มีสิ่งเจือปนในพื้นหลังในชิปเซมิคอนดักเตอร์ในระหว่างกระบวนการเติบโต และพื้นที่แอคทีฟไม่ใช่เซมิคอนดักเตอร์ภายในในอุดมคติ เมื่อตัวพาที่ฉีดรวมกับสิ่งสกปรก อายุการใช้งานของพาหะจะลดลง ส่งผลให้ประสิทธิภาพการเลเซอร์ของเลเซอร์ลดลง แต่ในขณะเดียวกันก็จะเพิ่มอัตราการมอดูเลตของเลเซอร์ ดังนั้นบางครั้งบริเวณที่ใช้งานอยู่ เจือโดยเจตนา เพิ่มอัตราการมอดูเลตในขณะที่มั่นใจในประสิทธิภาพ

นอกจากนี้ เราเห็นได้จากการแนะนำ DBR ก่อนหน้านี้ว่าความยาวของโพรงที่มีประสิทธิภาพของ VCSEL คือความหนาของพื้นที่แอคทีฟบวกกับความลึกของการเจาะของ DBR ทั้งสองด้าน พื้นที่แอคทีฟของ VCSEL นั้นบาง และความยาวโดยรวมของช่องเรโซแนนซ์มักจะอยู่ที่หลายไมครอน EEL ใช้การปล่อยขอบ และโดยทั่วไปความยาวของโพรงจะอยู่ที่หลายร้อยไมครอน ดังนั้น VCSEL จึงมีความยาวช่องที่สั้นกว่า มีระยะห่างระหว่างโหมดตามยาวมากขึ้น และมีลักษณะเฉพาะของโหมดตามยาวเดี่ยวที่ดีกว่า นอกจากนี้ ปริมาตรของพื้นที่แอคทีฟของ VCSEL ยังน้อยกว่าอีกด้วย (0.07 ลูกบาศก์ไมครอน ในขณะที่ EEL โดยทั่วไปคือ 60 ลูกบาศก์ไมครอน) ดังนั้นเกณฑ์กระแสของ VCSEL ก็ต่ำกว่าเช่นกัน อย่างไรก็ตาม การลดปริมาตรของพื้นที่แอคทีฟจะทำให้ช่องเรโซแนนซ์หดตัว ซึ่งจะเพิ่มการสูญเสียและเพิ่มความหนาแน่นของอิเล็กตรอนที่จำเป็นสำหรับการสั่น จำเป็นต้องเพิ่มการสะท้อนแสงของช่องเรโซแนนซ์ ดังนั้น VCSEL จึงต้องเตรียม DBR ที่มีการสะท้อนแสงสูง - อย่างไรก็ตาม มีการสะท้อนแสงที่เหมาะสมที่สุดเพื่อให้ได้แสงสว่างสูงสุด ซึ่งไม่ได้หมายความว่ายิ่งการสะท้อนแสงสูงเท่าไรก็ยิ่งดีเท่านั้น วิธีลดการสูญเสียแสงและการเตรียมกระจกสะท้อนแสงสูงถือเป็นปัญหาทางเทคนิคมาโดยตลอด