Einführung in den oberflächenemittierenden Halbleiterlaser mit vertikalem Hohlraum (VCSEL)

Einführung in die Oberflächenemission mit vertikalem HohlraumHalbleiterlaser(VCSEL)
Vertikale oberflächenemittierende Laser mit externem Resonator wurden Mitte der 1990er Jahre entwickelt, um ein zentrales Problem zu lösen, das die Entwicklung herkömmlicher Halbleiterlaser belastete: wie man leistungsstarke Laserleistungen mit hoher Strahlqualität im fundamentalen Transversalmodus erzeugen kann.
Vertikale oberflächenemittierende Laser mit externem Hohlraum (Vecsels), auch bekannt alsHalbleiterscheibenlaser(SDL) sind ein relativ neues Mitglied der Laserfamilie. Es kann die Emissionswellenlänge durch Änderung der Materialzusammensetzung und Dicke des Quantentopfs im Halbleiter-Verstärkungsmedium gestalten und in Kombination mit der Frequenzverdopplung innerhalb des Hohlraums einen breiten Wellenlängenbereich von Ultraviolett bis Ferninfrarot abdecken und so eine hohe Leistungsabgabe bei gleichzeitig geringer Divergenz erzielen Winkelkreissymmetrischer Laserstrahl. Der Laserresonator besteht aus der unteren DBR-Struktur des Verstärkungschips und dem externen Ausgangskopplungsspiegel. Diese einzigartige externe Resonatorstruktur ermöglicht das Einsetzen optischer Elemente in den Hohlraum für Vorgänge wie Frequenzverdoppelung, Frequenzdifferenz und Modenkopplung, was VECSEL zu einem idealen Gerät machtLaserquellefür Anwendungen wie Biophotonik, Spektroskopie,Lasermedizinund Laserprojektion.
Der Resonator des VC-oberflächenemittierenden Halbleiterlasers steht senkrecht zur Ebene, in der sich der aktive Bereich befindet, und sein Ausgangslicht steht senkrecht zur Ebene des aktiven Bereichs, wie in der Abbildung dargestellt. VCSEL hat einzigartige Vorteile, wie zum Beispiel kleine Größe, hohe Frequenz, gute Strahlqualität, große Schadensschwelle für die Hohlraumoberfläche und relativ einfacher Produktionsprozess. Es zeigt hervorragende Leistung in den Anwendungen Laseranzeige, optische Kommunikation und optische Uhr. Allerdings können VCsels keine Hochleistungslaser über dem Watt-Niveau erhalten, sodass sie nicht in Bereichen mit hohem Leistungsbedarf eingesetzt werden können.

Der Laserresonator von VCSEL besteht aus einem verteilten Bragg-Reflektor (DBR), der aus einer mehrschichtigen epitaktischen Struktur aus Halbleitermaterial sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite des aktiven Bereichs besteht, was sich stark von dem unterscheidetLaserResonator bestehend aus einer Spaltungsebene im EEL. Die Richtung des optischen VCSEL-Resonators verläuft senkrecht zur Chipoberfläche, die Laserleistung verläuft ebenfalls senkrecht zur Chipoberfläche und das Reflexionsvermögen auf beiden Seiten des DBR ist viel höher als das der EEL-Lösungsebene.
Die Länge des Laserresonators von VCSEL beträgt im Allgemeinen einige Mikrometer, was viel kleiner ist als die des Millimeterresonators von EEL, und die Einwegverstärkung, die durch die Oszillation des optischen Feldes im Hohlraum erzielt wird, ist gering. Obwohl die Ausgangsleistung im Grundtransversalmodus erreicht werden kann, kann die Ausgangsleistung nur einige Milliwatt erreichen. Das Querschnittsprofil des VCSEL-Ausgangslaserstrahls ist kreisförmig und der Divergenzwinkel ist viel kleiner als der des kantenemittierenden Laserstrahls. Um eine hohe Ausgangsleistung von VCSEL zu erreichen, ist es notwendig, den Leuchtbereich zu vergrößern, um mehr Gewinn zu erzielen, und die Vergrößerung des Leuchtbereichs führt dazu, dass der Ausgangslaser zu einem Multimode-Ausgang wird. Gleichzeitig ist es schwierig, eine gleichmäßige Strominjektion in einem großen Leuchtbereich zu erreichen, und die ungleichmäßige Strominjektion wird die Ansammlung von Abwärme verschlimmern. Kurz gesagt, der VCSEL kann durch vernünftiges strukturelles Design den kreisförmigen symmetrischen Grundmodus ausgeben, aber der Die Ausgangsleistung ist niedrig, wenn der Ausgang im Einzelmodus erfolgt. Daher werden häufig mehrere VCsels in den Ausgangsmodus integriert.