수직 공동 표면 방출 레이저

수직 공동 표면 방출 레이저는 최근 몇 년 동안 빠르게 발전해 온 차세대 반도체 레이저입니다. 소위 "수직 공동 표면 방출"은 레이저 방출 방향이 벽개면 또는 기판 표면에 수직임을 의미합니다. 이에 대응하는 또 다른 발광방식을 "에지발광(Edge Emission)"이라고 한다. 기존의 반도체 레이저는 가장자리 방출 모드를 채택합니다. 즉, 레이저 방출 방향이 기판 표면과 평행합니다. 이러한 유형의 레이저를 EEL(Edge Emitting Laser)이라고 합니다. EEL과 비교하여 VCSEL은 우수한 빔 품질, 단일 모드 출력, 높은 변조 대역폭, 긴 수명, 쉬운 통합 및 테스트 등의 장점을 가지고 있으므로 광통신, 광 디스플레이, 광 감지 및 기타 분야에서 널리 사용되었습니다. 필드.

"수직 방출"이 무엇인지 보다 직관적이고 구체적으로 이해하려면 먼저 VCSEL의 구성과 구조를 이해해야 합니다. 여기서는 산화 제한 VCSEL을 소개합니다.

VCSEL의 기본 구조는 위에서 아래로 P형 오믹 접촉 전극, P형 도핑된 DBR, 산화물 감금층, 다중 양자 우물 활성 영역, N형 도핑된 DBR, 기판 및 N형 오믹 접촉 전극을 포함합니다. 다음은 VCSEL 구조의 단면도입니다[1]. VCSEL의 활성 영역은 양쪽의 DBR 미러 사이에 끼워져 있으며 함께 Fabry-Perot 공진 공동을 형성합니다. 광학 피드백은 양쪽의 DBR에 의해 제공됩니다. 일반적으로 DBR의 반사율은 100%에 가까운 반면, 상부 DBR의 반사율은 상대적으로 낮습니다. 작동 중에 양쪽의 전극을 통해 활성 영역 위의 산화물 층을 통해 전류가 주입되며, 이는 활성 영역에 자극 방사선을 형성하여 레이저 출력을 달성합니다. 레이저의 출력 방향은 활성 영역의 표면에 수직이며 가둠 층의 표면을 통과하고 저반사율 DBR 거울에서 방출됩니다.

기본 구조를 이해하고 나면 소위 "수직 방출"과 "병렬 방출"이 각각 무엇을 의미하는지 이해하기 쉽습니다. 다음 그림은 각각 VCSEL과 EEL의 발광 방법을 보여줍니다[4]. 그림에 표시된 VCSEL은 하단 방출 모드이며 상단 방출 모드도 있습니다.

반도체 레이저의 경우 활성영역에 전자를 주입하기 위해서는 일반적으로 활성영역을 PN 접합에 배치하고, N층을 통해 활성영역에 전자를 주입하고, P층을 통해 활성영역에 정공을 주입한다. 높은 레이저 효율을 얻기 위해 활성 영역은 일반적으로 도핑되지 않습니다. 그러나 성장 과정에서 반도체 칩에는 배경 불순물이 존재하며 활성 영역은 이상적인 진성 반도체가 아닙니다. 주입된 캐리어가 불순물과 결합하면 캐리어의 수명이 줄어들어 레이저의 레이저 효율이 떨어지지만 동시에 레이저의 변조율도 높아지므로 활성 영역이 때로는 의도적으로 도핑했습니다. 성능을 보장하면서 변조 속도를 높이십시오.

또한, 이전 DBR 도입에서 VCSEL의 유효 캐비티 길이는 활성 영역의 두께와 양면 DBR의 침투 깊이를 더한 것임을 알 수 있습니다. VCSEL의 활성 영역은 얇고 공진 공동의 전체 길이는 일반적으로 수 마이크론입니다. EEL은 가장자리 방출을 사용하며 공동 길이는 일반적으로 수백 미크론입니다. 따라서 VCSEL은 캐비티 길이가 더 짧고 세로 모드 간 거리가 더 멀며 단일 세로 모드 특성이 더 좋습니다. 또한 VCSEL의 활성 영역의 부피도 더 작으므로(0.07입방 미크론, EEL은 일반적으로 60입방 미크론) VCSEL의 임계 전류도 더 낮습니다. 그러나 활성 영역의 부피를 줄이면 공진 공동이 줄어들어 손실이 증가하고 발진에 필요한 전자 밀도가 증가합니다. 공진공동의 반사율을 높이는 것이 필요하므로 VCSEL은 반사율이 높은 DBR을 준비해야 한다. . 그러나 최대 광 출력을 위한 최적의 반사율이 있으며, 이는 반사율이 높을수록 좋다는 의미는 아닙니다. 빛 손실을 줄이고 고반사율 거울을 준비하는 방법은 항상 기술적인 어려움이었습니다.