Wprowadzenie do lasera półprzewodnikowego z pionową wnęką emitującą powierzchnię (VCSEL)

Wprowadzenie do emisji powierzchniowej wnęki pionowejlaser półprzewodnikowy(VCSEL)
Pionowe lasery z zewnętrzną emisją powierzchniową wnęki rezonansowej opracowano w połowie lat 90. XX wieku w celu rozwiązania podstawowego problemu utrudniającego rozwój tradycyjnych laserów półprzewodnikowych: w jaki sposób uzyskać dużą moc lasera przy zachowaniu wysokiej jakości wiązki w podstawowym trybie poprzecznym.
Pionowe lasery z zewnętrzną wnęką emitujące powierzchnię (Vecsels), znane również jakolasery półprzewodnikowe dyskowe(SDL) są stosunkowo nowym członkiem rodziny laserów. Mogą zaprojektować długość fali emisji poprzez zmianę składu materiału i grubości studni kwantowej w półprzewodnikowym ośrodku wzmocnienia, a w połączeniu z podwajaniem częstotliwości wewnątrz wnęki mogą obejmować szeroki zakres długości fali od ultrafioletu do dalekiej podczerwieni, uzyskując wysoką moc wyjściową przy zachowaniu niskiego kąta rozbieżności kołowej symetrycznej wiązki laserowej. Rezonator lasera składa się z dolnej struktury DBR układu wzmocnienia i zewnętrznego wyjściowego lustra sprzęgającego. Ta unikalna struktura zewnętrznego rezonatora umożliwia wstawianie elementów optycznych do wnęki w celu wykonywania operacji takich jak podwajanie częstotliwości, różnica częstotliwości i blokowanie modów, co czyni VECSEL idealnymźródło laserowedo zastosowań w biofotonice, spektroskopii,medycyna laserowai projekcji laserowej.
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 unikalne zalety, takie jak mały rozmiar, wysoka częstotliwość, dobra jakość wiązki, duży próg uszkodzenia powierzchni wnęki i stosunkowo prosty proces produkcji. Wykazuje doskonałą wydajność w zastosowaniach wyświetlacza laserowego, komunikacji optycznej i zegara optycznego. Jednak VCsel nie mogą uzyskać laserów o dużej mocy powyżej poziomu watów, więc nie mogą być stosowane w dziedzinach o wysokich wymaganiach mocy.

Rezonator laserowy lasera VCSEL składa się z rozproszonego reflektora Bragga (DBR) zbudowanego z wielowarstwowej struktury epitaksjalnej materiału półprzewodnikowego zarówno na górnej, jak i dolnej stronie obszaru aktywnego, co znacznie różni się odlaserrezonator złożony z płaszczyzny rozszczepienia w EEL. Kierunek rezonatora optycznego VCSEL jest prostopadły do ​​powierzchni chipa, wyjście lasera jest również prostopadłe do powierzchni chipa, a współczynnik odbicia obu stron DBR jest znacznie wyższy niż współczynnik odbicia płaszczyzny rozwiązania EEL.
Długość rezonatora laserowego VCSEL wynosi zazwyczaj kilka mikronów, co jest znacznie mniej niż w przypadku rezonatora milimetrowego EEL, a jednokierunkowe wzmocnienie uzyskane przez oscylację pola optycznego w jamie jest niskie. Chociaż można uzyskać podstawowy tryb poprzeczny, moc wyjściowa może osiągnąć tylko kilka miliwatów. Profil przekroju poprzecznego wiązki laserowej wyjściowej VCSEL jest kołowy, a kąt rozbieżności jest znacznie mniejszy niż kąt rozbieżności wiązki laserowej emitującej krawędziowo. Aby uzyskać wysoką moc wyjściową VCSEL, konieczne jest zwiększenie obszaru świecącego w celu zapewnienia większego wzmocnienia, a zwiększenie obszaru świecącego spowoduje, że laser wyjściowy stanie się wyjściem wielomodowym. Jednocześnie trudno jest uzyskać równomierny strumień prądu w dużym obszarze świetlnym, a nierównomierny strumień prądu nasili gromadzenie się ciepła odpadowego. Krótko mówiąc, laser VCSEL może generować punktowy, kołowy strumień symetryczny w trybie podstawowym dzięki rozsądnej konstrukcji, ale moc wyjściowa jest niska, gdy wyjście jest w trybie pojedynczym. Dlatego w jednym trybie wyjściowym często integruje się wiele laserów VCsel.