Вступ до напівпровідникового лазера з вертикальним випромінюванням поверхні (VCSEL)

Вступ до випромінювання поверхні вертикального резонаторанапівпровідниковий лазер(VCSEL)
Поверхнево-випромінювальні лазери з вертикальним зовнішнім резонатором були розроблені в середині 1990-х років, щоб подолати ключову проблему, яка перешкоджала розвитку традиційних напівпровідникових лазерів: як виробляти потужні лазери з високою якістю променя в основному поперечному режимі.
Поверхнево-випромінювальні лазери з вертикальним зовнішнім резонатором (Vecsels), також відомі якнапівпровідникові дискові лазери(SDL), є відносно новим членом сімейства лазерів. Він може проектувати довжину хвилі випромінювання, змінюючи склад матеріалу та товщину квантової ями в середовищі підсилення напівпровідника, і в поєднанні з подвоєнням частоти всередині резонатора може охоплювати широкий діапазон довжин хвиль від ультрафіолетового до далекого інфрачервоного, досягаючи високої вихідної потужності при збереженні низької розбіжності Кутовий круговий симетричний лазерний промінь. Лазерний резонатор складається з нижньої структури DBR мікросхеми посилення та зовнішнього вихідного дзеркала зв’язку. Ця унікальна структура зовнішнього резонатора дозволяє вставляти оптичні елементи в резонатор для таких операцій, як подвоєння частоти, різниця частот і блокування мод, що робить VECSEL ідеальнимджерело лазерадля застосування в діапазоні від біофотоніки, спектроскопії,лазерна медицината лазерна проекція.
Резонатор напівпровідникового лазера, що випромінює поверхню VC, перпендикулярний до площини, де розташована активна область, а його вихідне світло перпендикулярно до площини активної області, як показано на малюнку. VCSEL має унікальні переваги, такі як невеликі розмір, висока частота, хороша якість променя, великий поріг пошкодження поверхні порожнини та відносно простий процес виробництва. Він демонструє чудову продуктивність у застосуванні лазерного дисплея, оптичного зв’язку та оптичного годинника. Однак VCsels не може отримати лазери високої потужності понад ватний рівень, тому їх не можна використовувати в областях з високими вимогами до потужності.

Лазерний резонатор VCSEL складається з розподіленого рефлектора Брегга (DBR), що складається з багатошарової епітаксіальної структури напівпровідникового матеріалу як на верхній, так і на нижній сторонах активної області, яка дуже відрізняється відлазеррезонатор, що складається з площини спайності в EEL. Напрямок оптичного резонатора VCSEL перпендикулярний до поверхні чіпа, вихід лазера також перпендикулярний до поверхні чіпа, а відбивна здатність обох сторін DBR набагато вища, ніж у площини рішення EEL.
Довжина лазерного резонатора VCSEL зазвичай становить кілька мікрон, що набагато менше, ніж довжина міліметрового резонатора EEL, а одностороннє посилення, отримане коливаннями оптичного поля в резонаторі, є низьким. Хоча основний поперечний вихідний сигнал може бути досягнутий, вихідна потужність може досягати лише кількох міліват. Профіль поперечного перерізу вихідного лазерного променя VCSEL є круглим, а кут розбіжності набагато менший, ніж у лазерного променя, що випромінює край. Щоб досягти високої вихідної потужності VCSEL, необхідно збільшити світлову область, щоб забезпечити більше посилення, а збільшення світлової області призведе до того, що вихідний лазер стане багатомодовим. У той же час важко досягти рівномірної інжекції струму у великій світловій області, а нерівномірна інжекція струму посилить накопичення відпрацьованого тепла. Коротше кажучи, VCSEL може виводити круглу симетричну пляму основного режиму за допомогою розумного структурного дизайну, але вихідна потужність низька, коли вихід є одним режимом. Тому декілька VCsels часто інтегруються в режим виведення.