Uvod u vertikalni šupljinski površinski emitirajući poluprovodnički laser (VCSEL)

Uvod u emitovanje površine vertikalne šupljinepoluprovodnički laser(VCSEL)
Vertikalni laseri sa vanjskom šupljinom koji emituju površinu razvijeni su sredinom 1990-ih kako bi se prevazišao ključni problem koji je mučio razvoj tradicionalnih poluprovodničkih lasera: kako proizvesti laserske izlaze velike snage sa visokim kvalitetom snopa u fundamentalnom transverzalnom modu.
Vertikalni laseri sa vanjskom šupljinom koji emituju površinu (Vecsels), poznati i kaopoluprovodnički diskovni laseri(SDL) su relativno novi član porodice lasera. Moguće je dizajnirati talasnu dužinu emisije promjenom sastava materijala i debljine kvantne jame u poluprovodničkom mediju za pojačanje, a u kombinaciji s udvostručenjem frekvencije unutar šupljine može pokriti širok raspon talasnih dužina od ultraljubičastog do dalekog infracrvenog zračenja, postižući visoku izlaznu snagu uz održavanje kružnog simetričnog laserskog snopa s niskim uglom divergencije. Laserski rezonator sastoji se od donje DBR strukture čipa za pojačanje i vanjskog izlaznog spojnog ogledala. Ova jedinstvena struktura vanjskog rezonatora omogućava umetanje optičkih elemenata u šupljinu za operacije kao što su udvostručenje frekvencije, razlika frekvencija i zaključavanje moda, što VECSEL čini idealnim...laserski izvorza primjene u rasponu od biofotonike, spektroskopije,laserska medicinai laserska projekcija.
Rezonator poluprovodničkog lasera koji emitira površinu VC-a je okomit na ravan u kojoj se nalazi aktivno područje, a njegova izlazna svjetlost je okomita na ravan aktivnog područja, kao što je prikazano na slici. VCSEL ima jedinstvene prednosti, kao što su mala veličina, visoka frekvencija, dobar kvalitet snopa, veliki prag oštećenja površine šupljine i relativno jednostavan proces proizvodnje. Pokazuje odlične performanse u primjenama laserskog displeja, optičke komunikacije i optičkog sata. Međutim, VCsel-ovi ne mogu dobiti lasere velike snage iznad nivoa vati, tako da se ne mogu koristiti u oblastima sa visokim zahtjevima za snagom.

Laserski rezonator VCSEL-a sastoji se od distribuiranog Braggovog reflektora (DBR) sastavljenog od višeslojne epitaksijalne strukture poluprovodničkog materijala na gornjoj i donjoj strani aktivnog područja, što se veoma razlikuje od...laserRezonator sastavljen od ravni cijepanja u EEL-u. Smjer VCSEL optičkog rezonatora je okomit na površinu čipa, laserski izlaz je također okomit na površinu čipa, a reflektivnost obje strane DBR-a je mnogo veća od reflektivnosti ravni EEL rješenja.
Dužina laserskog rezonatora VCSEL-a je uglavnom nekoliko mikrona, što je mnogo manje od dužine milimetarskog rezonatora EEL-a, a jednosmjerno pojačanje dobijeno oscilacijom optičkog polja u šupljini je nisko. Iako se može postići osnovni transverzalni izlazni mod, izlazna snaga može doseći samo nekoliko milivata. Profil poprečnog presjeka VCSEL izlaznog laserskog snopa je kružan, a ugao divergencije je mnogo manji od laserskog snopa koji emituje rub. Da bi se postigla velika izlazna snaga VCSEL-a, potrebno je povećati luminozno područje kako bi se obezbijedilo veće pojačanje, a povećanje luminoznog područja će uzrokovati da izlazni laser postane višemodni izlaz. Istovremeno, teško je postići ujednačeno ubrizgavanje struje u veliko luminozno područje, a neravnomjerno ubrizgavanje struje će pogoršati akumulaciju otpadne toplote. Ukratko, VCSEL može davati osnovni mod kružne simetrične tačke kroz razumni strukturni dizajn, ali izlazna snaga je niska kada je izlaz jednomodni. Stoga se više VCsel-ova često integriše u izlazni mod.