Laser à émission de surface à cavité verticale

Le laser à émission de surface à cavité verticale est une nouvelle génération de laser à semi-conducteur qui s'est développé rapidement ces dernières années. Ce que l'on appelle « émission de surface de cavité verticale » signifie que la direction d'émission laser est perpendiculaire au plan de clivage ou à la surface du substrat. Une autre méthode d'émission qui lui correspond est appelée « émission de bord ». Les lasers à semi-conducteurs traditionnels adoptent un mode d'émission par les bords, c'est-à-dire que la direction d'émission du laser est parallèle à la surface du substrat. Ce type de laser est appelé laser à émission de bord (EEL). Comparé à l'EEL, le VCSEL présente les avantages d'une bonne qualité de faisceau, d'une sortie monomode, d'une bande passante de modulation élevée, d'une longue durée de vie, d'une intégration et de tests faciles, etc., il a donc été largement utilisé dans les communications optiques, l'affichage optique, la détection optique et autres. des champs.

Afin de comprendre de manière plus intuitive et spécifique ce qu'est « l'émission verticale », nous devons d'abord comprendre la composition et la structure du VCSEL. Nous introduisons ici le VCSEL limité par l’oxydation :

La structure de base du VCSEL comprend de haut en bas : une électrode de contact ohmique de type P, un DBR dopé de type P, une couche de confinement d'oxyde, une région active à puits multi-quantiques, un DBR dopé de type N, un substrat et une électrode de contact ohmique de type N. Voici une vue en coupe de la structure du VCSEL [1]. La zone active du VCSEL est prise en sandwich entre les miroirs DBR des deux côtés, qui forment ensemble une cavité résonante Fabry-Pérot. Le retour optique est assuré par les DBR des deux côtés. Habituellement, la réflectivité du DBR est proche de 100 %, tandis que la réflectivité du DBR supérieur est relativement inférieure. Pendant le fonctionnement, le courant est injecté à travers la couche d'oxyde au-dessus de la zone active à travers les électrodes des deux côtés, ce qui formera un rayonnement stimulé dans la zone active pour obtenir une sortie laser. La direction de sortie du laser est perpendiculaire à la surface de la zone active, traverse la surface de la couche de confinement et est émise par le miroir DBR à faible réflectivité.

Après avoir compris la structure de base, il est facile de comprendre ce que signifient respectivement ce que l'on appelle « émission verticale » et « émission parallèle ». La figure suivante montre respectivement les méthodes d'émission de lumière du VCSEL et de l'EEL [4]. Le VCSEL illustré sur la figure est un mode d'émission par le bas, mais il existe également des modes d'émission par le haut.

Pour les lasers à semi-conducteurs, afin d'injecter des électrons dans la zone active, la zone active est généralement placée dans une jonction PN, les électrons sont injectés dans la zone active à travers la couche N et les trous sont injectés dans la zone active à travers la couche P. Afin d'obtenir une efficacité laser élevée, la région active n'est généralement pas dopée. Cependant, il existe des impuretés de fond dans la puce semi-conductrice pendant le processus de croissance, et la région active n'est pas un semi-conducteur intrinsèque idéal. Lorsque les porteurs injectés se combinent avec des impuretés, la durée de vie des porteurs sera réduite, ce qui entraînera une réduction de l'efficacité laser du laser, mais en même temps, cela augmentera le taux de modulation du laser, de sorte que parfois la région active est intentionnellement dopé. Augmentez le taux de modulation tout en garantissant les performances.

De plus, nous pouvons voir dans l'introduction précédente du DBR que la longueur effective de la cavité du VCSEL est l'épaisseur de la zone active plus la profondeur de pénétration du DBR des deux côtés. La zone active du VCSEL est mince et la longueur totale de la cavité résonante est généralement de plusieurs microns. EEL utilise l'émission de bord et la longueur de la cavité est généralement de plusieurs centaines de microns. Par conséquent, le VCSEL a une longueur de cavité plus courte, une plus grande distance entre les modes longitudinaux et de meilleures caractéristiques de mode longitudinal unique. De plus, le volume de la zone active du VCSEL est également plus petit (0,07 microns cubes, alors que l'EEL est généralement de 60 microns cubes), de sorte que le courant de seuil du VCSEL est également inférieur. Cependant, la réduction du volume de la zone active rétrécit la cavité résonante, ce qui augmentera la perte et augmentera la densité électronique requise pour l'oscillation. Il est nécessaire d'augmenter la réflectivité de la cavité résonante, le VCSEL doit donc préparer un DBR à haute réflectivité. . Cependant, il existe une réflectivité optimale pour un rendement lumineux maximal, ce qui ne signifie pas que plus la réflectivité est élevée, mieux c'est. Comment réduire la perte de lumière et préparer des miroirs à haute réflectivité a toujours été une difficulté technique.