Einführung in oberflächenemittierende Halbleiterlaser mit vertikaler Kavität (VCSEL)

Einführung in die Oberflächenemission mit vertikaler KavitätHalbleiterlaser(VCSEL)
Vertikale oberflächenemittierende Laser mit externem Resonator wurden Mitte der 1990er Jahre entwickelt, um ein zentrales Problem zu lösen, das die Entwicklung herkömmlicher Halbleiterlaser behinderte: die Erzeugung von Hochleistungslaserausgängen mit hoher Strahlqualität im fundamentalen Transversalmodus.
Vertikale oberflächenemittierende Laser mit externem Resonator (Vecsels), auch bekannt alsHalbleiterscheibenlaser(SDL) sind ein relativ neues Mitglied der Laserfamilie. Die Emissionswellenlänge lässt sich durch Veränderung der Materialzusammensetzung und der Dicke des Quantentopfs im Halbleiter-Verstärkungsmedium steuern. In Kombination mit der Frequenzverdopplung im Resonator kann ein breiter Wellenlängenbereich von Ultraviolett bis Ferninfrarot abgedeckt werden. Dadurch wird eine hohe Ausgangsleistung bei gleichzeitig geringer Divergenz und einem zirkularsymmetrischen Laserstrahl erreicht. Der Laserresonator besteht aus der unteren DBR-Struktur des Verstärkungschips und dem externen Auskoppelspiegel. Diese einzigartige externe Resonatorstruktur ermöglicht das Einfügen optischer Elemente in den Resonator für Operationen wie Frequenzverdopplung, Frequenzdifferenz und Modenkopplung. Damit ist VECSEL ein idealesLaserquellefür Anwendungen von Biophotonik, Spektroskopie,Lasermedizin, und Laserprojektion.
Der Resonator des oberflächenemittierenden VC-Halbleiterlasers steht senkrecht zur Ebene des aktiven Bereichs, und sein Ausgangslicht ist senkrecht zur Ebene des aktiven Bereichs, wie in der Abbildung dargestellt. VCSEL bieten einzigartige Vorteile wie geringe Größe, hohe Frequenz, gute Strahlqualität, hohe Oberflächenzerstörschwelle und einen relativ einfachen Herstellungsprozess. Sie zeigen hervorragende Leistung in den Bereichen Laserdisplay, optische Kommunikation und optische Uhr. VCSELs können jedoch keine Hochleistungslaser über Watt erzeugen und sind daher nicht für den Einsatz in Bereichen mit hohem Leistungsbedarf geeignet.

Der Laserresonator des VCSEL besteht aus einem verteilten Bragg-Reflektor (DBR), der aus einer mehrschichtigen epitaktischen Struktur aus Halbleitermaterial auf der Ober- und Unterseite des aktiven Bereichs besteht, was sich stark von derLaserResonator bestehend aus einer Spaltebene in EEL. Die Richtung des optischen VCSEL-Resonators ist senkrecht zur Chipoberfläche, der Laserausgang ist ebenfalls senkrecht zur Chipoberfläche und die Reflektivität beider Seiten des DBR ist deutlich höher als die der EEL-Lösungsebene.
Die Länge des Laserresonators eines VCSEL beträgt in der Regel wenige Mikrometer und ist damit deutlich kleiner als die des Millimeterresonators eines EEL. Die durch die optische Feldschwingung im Resonator erzielte Einwegverstärkung ist gering. Obwohl der Grundmodus im transversalen Modus erzeugt werden kann, erreicht die Ausgangsleistung nur wenige Milliwatt. Der Querschnitt des vom VCSEL abgegebenen Laserstrahls ist kreisförmig, und der Divergenzwinkel ist deutlich kleiner als der des Kantenemittierlasers. Um eine hohe Ausgangsleistung des VCSEL zu erreichen, muss der Leuchtbereich vergrößert werden, um eine höhere Verstärkung zu erzielen. Durch die Vergrößerung des Leuchtbereichs wird der Ausgangslaser zu einem Multimode-Laser. Gleichzeitig ist es schwierig, in einem großen Leuchtbereich eine gleichmäßige Stromeinspeisung zu erreichen, und eine ungleichmäßige Stromeinspeisung verstärkt die Abwärmeentwicklung. Kurz gesagt: Der VCSEL kann durch eine sinnvolle Konstruktion einen kreisförmigen symmetrischen Punkt im Grundmodus ausgeben, die Ausgangsleistung ist jedoch gering, wenn der Ausgang im Singlemode-Modus erfolgt. Daher werden häufig mehrere VCSEL in den Ausgangsmodus integriert.