Wprowadzenie do lasera półprzewodnikowego emitującego powierzchnię wnęki pionowej (VCSEL)

Wprowadzenie do emisji powierzchniowej wnęki pionowejlaser półprzewodnikowy(VCSEL)
Lasery emitujące powierzchnię z pionową wnęką zewnętrzną zostały opracowane w połowie lat 90. XX wieku w celu przezwyciężenia kluczowego problemu, który nękał rozwój tradycyjnych laserów półprzewodnikowych: sposobu wytwarzania mocy wyjściowej lasera o dużej mocy i wysokiej jakości wiązki w podstawowym trybie poprzecznym.
Pionowe lasery emitujące powierzchniowo wnękę zewnętrzną (Vecsels), znane również jakopółprzewodnikowe lasery dyskowe(SDL) są stosunkowo nowym członkiem rodziny laserów. Potrafi zaprojektować długość fali emisji, zmieniając skład materiału i grubość studni kwantowej w ośrodku wzmacniającym półprzewodnik, a w połączeniu z podwojeniem częstotliwości wewnątrz wnęki może obejmować szeroki zakres długości fal od ultrafioletu do dalekiej podczerwieni, osiągając wysoką moc wyjściową przy zachowaniu niskiej rozbieżności Kątowa, symetryczna wiązka lasera. Rezonator laserowy składa się z dolnej struktury DBR układu wzmacniającego i zewnętrznego zwierciadła sprzęgającego wyjście. Ta unikalna struktura zewnętrznego rezonatora umożliwia umieszczenie we wnęce elementów optycznych w celu wykonania operacji takich jak podwojenie częstotliwości, różnica częstotliwości i blokowanie modów, co czyni VECSEL idealnymźródło laserowedo zastosowań obejmujących biofotonikę, spektroskopię,medycyna laserowai projekcja laserowa.
Rezonator lasera półprzewodnikowego emitującego powierzchnię VC jest prostopadły do ​​płaszczyzny, w której znajduje się obszar aktywny, a jego światło wyjściowe jest prostopadłe do płaszczyzny obszaru aktywnego, jak pokazano na rysunku. VCSEL ma wyjątkowe zalety, takie jak małe rozmiar, wysoka częstotliwość, dobra jakość wiązki, duży próg uszkodzenia powierzchni wnęki i stosunkowo prosty proces produkcyjny. Wykazuje doskonałą wydajność w zastosowaniach wyświetlaczy laserowych, komunikacji optycznej i zegara optycznego. Jednakże VCsels nie mogą uzyskać laserów o dużej mocy powyżej poziomu watów, więc nie można ich używać w polach o dużym zapotrzebowaniu na moc.

Rezonator laserowy VCSEL składa się z rozproszonego reflektora Bragga (DBR) złożonego z wielowarstwowej struktury epitaksjalnej materiału półprzewodnikowego zarówno po górnej, jak i dolnej stronie obszaru aktywnego, co znacznie różni się od rezonatora laserowegolaserrezonator złożony z płaszczyzny rozszczepienia w EEL. Kierunek rezonatora optycznego VCSEL jest prostopadły do ​​powierzchni chipa, moc lasera jest również prostopadła do powierzchni chipa, a współczynnik odbicia obu stron DBR jest znacznie wyższy niż płaszczyzny rozwiązania EEL.
Długość rezonatora laserowego VCSEL wynosi na ogół kilka mikronów, czyli jest znacznie mniejsza niż długość rezonatora milimetrowego EEL, a jednokierunkowe wzmocnienie uzyskane w wyniku oscylacji pola optycznego we wnęce jest niskie. Chociaż można osiągnąć podstawową moc wyjściową w trybie poprzecznym, moc wyjściowa może osiągnąć tylko kilka miliwatów. Profil przekroju wyjściowej wiązki lasera VCSEL jest okrągły, a kąt rozbieżności jest znacznie mniejszy niż w przypadku wiązki lasera emitującego krawędzie. Aby osiągnąć wysoką moc wyjściową VCSEL, konieczne jest zwiększenie obszaru świetlnego, aby zapewnić większe wzmocnienie, a zwiększenie obszaru świetlnego spowoduje, że wyjściowy laser stanie się wyjściem wielomodowym. Jednocześnie trudno jest uzyskać równomierny wtrysk prądu w dużym obszarze świetlnym, a nierównomierny wtrysk prądu pogorszy akumulację ciepła odpadowego. Krótko mówiąc, VCSEL może generować symetryczną plamkę kołową w trybie podstawowym poprzez rozsądną konstrukcję, ale moc wyjściowa jest niska, gdy wyjście jest w trybie pojedynczym. Dlatego w trybie wyjściowym często zintegrowanych jest wiele VCsel.