Введение в полупроводниковый лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL)

Введение в поверхностное излучение вертикальной полостиполупроводниковый лазер(ВКСЭЛ)
Лазеры поверхностного излучения с вертикальным внешним резонатором были разработаны в середине 1990-х годов для решения ключевой проблемы, которая препятствовала разработке традиционных полупроводниковых лазеров: как производить мощные лазерные выходы с высоким качеством луча в основной поперечной моде.
Лазеры поверхностного излучения с вертикальным внешним резонатором (Vecsels), также известные какполупроводниковые дисковые лазеры(SDL) являются относительно новым членом семейства лазеров. Он может проектировать длину волны излучения, изменяя состав материала и толщину квантовой ямы в полупроводниковой усиливающей среде, а в сочетании с внутрирезонаторным удвоением частоты может охватывать широкий диапазон длин волн от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного диапазона, достигая высокой выходной мощности при сохранении низкой расходимости. Угловой круговой симметричный лазерный луч. Лазерный резонатор состоит из нижней структуры DBR чипа усиления и внешнего выходного зеркала связи. Эта уникальная структура внешнего резонатора позволяет вставлять в резонатор оптические элементы для таких операций, как удвоение частоты, разность частот и синхронизация мод, что делает VECSEL идеальнымлазерный источникдля приложений, начиная от биофотоники, спектроскопии,лазерная медицинаи лазерная проекция.
Резонатор полупроводникового лазера, излучающего поверхность VC, перпендикулярен плоскости, в которой расположена активная область, а его выходной свет перпендикулярен плоскости активной области, как показано на рисунке. VCSEL имеет уникальные преимущества, такие как небольшой размер. размер, высокая частота, хорошее качество луча, большой порог повреждения поверхности полости и относительно простой производственный процесс. Он показывает отличную производительность в приложениях лазерного дисплея, оптической связи и оптических часов. Однако VCsels не могут получать лазеры высокой мощности, превышающие уровень ватт, поэтому их нельзя использовать в областях с высокими требованиями к мощности.

Лазерный резонатор VCSEL состоит из распределенного брэгговского отражателя (DBR), состоящего из многослойной эпитаксиальной структуры полупроводникового материала как на верхней, так и на нижней стороне активной области, что сильно отличается отлазеррезонатор, состоящий из плоскости спайности в ЭЭЛ. Направление оптического резонатора VCSEL перпендикулярно поверхности чипа, выход лазера также перпендикулярен поверхности чипа, а отражательная способность обеих сторон DBR намного выше, чем у плоскости решения EEL.
Длина лазерного резонатора VCSEL обычно составляет несколько микрон, что намного меньше, чем у миллиметрового резонатора EEL, а одностороннее усиление, получаемое за счет колебаний оптического поля в резонаторе, невелико. Хотя может быть достигнута выходная мощность в основной поперечной моде, выходная мощность может достигать всего нескольких милливатт. Профиль поперечного сечения выходного лазерного луча VCSEL имеет круглую форму, а угол расхождения намного меньше, чем у лазерного луча с краевым излучением. Чтобы достичь высокой выходной мощности VCSEL, необходимо увеличить область свечения, чтобы обеспечить больший коэффициент усиления, а увеличение области свечения приведет к тому, что выходной лазер станет многомодовым. В то же время трудно добиться равномерной подачи тока в большой светящейся области, а неравномерная подача тока усугубит накопление отходящего тепла. Короче говоря, VCSEL может выдавать круговое симметричное пятно основной моды благодаря разумной структурной конструкции, но Выходная мощность низкая, когда выходной сигнал находится в одном режиме. Поэтому в выходной режим часто интегрируются несколько VCsels.