垂直共振器面発光レーザー

垂直共振器型面発光レーザは、近年急速に発展している新世代の半導体レーザです。いわゆる「垂直共振器面発光」とは、レーザーの発光方向が劈開面または基板表面に対して垂直であることを意味する。これに相当するもう一つの発光方式は「エッジ発光」と呼ばれる。従来の半導体レーザーは端面発光モード、つまりレーザー放射方向が基板表面と平行なモードを採用しています。このタイプのレーザーは端面発光レーザー (EEL) と呼ばれます。 EELと比較して、VCSELは、良好なビーム品質、シングルモード出力、高い変調帯域幅、長寿命、容易な統合およびテストなどの利点を備えているため、光通信、光学ディスプレイ、光学センシングなどの分野で広く使用されています。田畑。

「垂直放射」とは何かをより直観的かつ具体的に理解するには、まず VCSEL の構成と構造を理解する必要があります。ここでは、酸化制限された VCSEL を紹介します。

VCSEL の基本構造には、上から下に、P 型オーミック コンタクト電極、P 型ドープ DBR、酸化物閉じ込め層、多重量子井戸活性領域、N 型ドープ DBR、基板、N 型オーミック コンタクト電極が含まれます。これは VCSEL 構造の断面図です [1]。 VCSEL のアクティブ領域は、両側の DBR ミラーの間に挟まれており、ファブリーペロー共振空洞を形成します。光フィードバックは両側の DBR によって提供されます。通常、DBR の反射率は 100% に近く、上部 DBR の反射率は比較的低くなります。動作中、電流は両側の電極を介して活性領域上の酸化層に注入され、活性領域に誘導放射線を形成してレーザー出力を実現します。レーザーの出力方向は活性領域の表面に対して垂直であり、閉じ込め層の表面を通過し、低反射率のDBRミラーから放射されます。

基本的な構造を理解すると、いわゆる「垂直放射」と「平行放射」がそれぞれ何を意味するのかを理解するのは簡単です。 VCSEL と EEL のそれぞれの発光方式を下図に示します [4]。図に示されている VCSEL はボトムエミッション モードですが、トップ エミッション モードもあります。

半導体レーザーの場合、活性領域に電子を注入するために、通常、活性領域はPN接合に配置され、電子はN層を介して活性領域に注入され、正孔はP層を介して活性領域に注入されます。高いレーザー発振効率を得るために、活性領域は一般にドープされません。しかし、成長プロセス中に半導体チップ内にはバックグラウンド不純物が存在し、活性領域は理想的な真性半導体ではありません。注入されたキャリアが不純物と結合すると、キャリアの寿命が短くなり、その結果、レーザの発振効率が低下しますが、同時にレーザの変調速度が増加するため、場合によっては活性領域が劣化することがあります。意図的にドーピングされた。パフォーマンスを確保しながら変調レートを高めます。

さらに、以前の DBR の紹介から、VCSEL の有効共振器長は、活性領域の厚さに両側の DBR の侵入深さを加えたものであることがわかります。 VCSEL の活性領域は薄く、共振空洞の全長は通常数ミクロンです。 EELはエッジエミッションを使用しており、共振器長は一般に数百ミクロンです。したがって、VCSEL は共振器長が短く、縦モード間の距離が長く、単一縦モード特性が優れています。さらに、VCSEL のアクティブ領域の体積も小さいため (0.07 立方ミクロン、EEL は一般に 60 立方ミクロン)、VCSEL のしきい値電流も低くなります。ただし、アクティブ領域の体積を減らすと共振空洞が縮小し、損失が増加し、発振に必要な電子密度が増加します。共振器の反射率を高める必要があるため、VCSEL では反射率の高い DBR を用意する必要があります。 。ただし、最大の光出力には最適な反射率があり、反射率が高ければ高いほど良いというわけではありません。光の損失を減らし、高反射率のミラーを準備する方法は常に技術的な困難でした。