Уводзіны ў паўправадніковы лазер з вертыкальным рэзонатарам (VCSEL)

Знаёмства з павярхоўным выпраменьваннем вертыкальнай паражніныпаўправадніковы лазер(VCSEL)
Павярхоўна-выпраменьваючыя лазеры з вертыкальнай вонкавай паверхняй былі распрацаваны ў сярэдзіне 1990-х гадоў, каб пераадолець ключавую праблему, якая перашкаджала распрацоўцы традыцыйных паўправадніковых лазераў: як вырабляць лазерныя выхады высокай магутнасці з высокай якасцю прамяня ў фундаментальным папярочным рэжыме.
Павярхоўна-выпраменьваючыя лазеры з вертыкальнай вонкавай паласой (Vecsels), таксама вядомыя якпаўправадніковыя дыскавыя лазеры(SDL), з'яўляюцца адносна новым членам сямейства лазераў. Ён можа канструяваць даўжыню хвалі выпраменьвання, змяняючы склад матэрыялу і таўшчыню квантавай ямы ў паўправадніковым асяроддзі ўзмацнення, і ў спалучэнні з унутрырэзанатарным падваеннем частоты можа ахопліваць шырокі дыяпазон даўжынь хваль ад ультрафіялетавага да далёкага інфрачырвонага выпраменьвання, дасягаючы высокай выходнай магутнасці пры захаванні нізкай дывергенцыі Вуглавы кругавы сіметрычны лазерны прамень. Лазерны рэзанатар складаецца з ніжняй структуры DBR мікрасхемы ўзмацнення і знешняга выходнага люстэрка сувязі. Гэтая унікальная структура знешняга рэзанатара дазваляе ўстаўляць аптычныя элементы ў рэзонатар для такіх аперацый, як падваенне частоты, розніца частот і блакіроўка мод, што робіць VECSEL ідэальнымкрыніца лазерадля прымянення ў дыяпазоне ад біяфатонікі, спектраскапіі,лазерная медыцына, і лазерная праекцыя.
Рэзанатар VC-павярхоўнага выпраменьваючага паўправадніковага лазера размешчаны перпендыкулярна плоскасці, дзе размешчана актыўная вобласць, а яго выхадны святло перпендыкулярны плоскасці актыўнай вобласці, як паказана на малюнку. VCSEL мае унікальныя перавагі, такія як невялікі памер, высокая частата, добрая якасць прамяня, вялікі парог пашкоджання паверхні паражніны і адносна просты працэс вытворчасці. Ён паказвае выдатную прадукцыйнасць у прымяненні лазернага дысплея, аптычнай сувязі і аптычных гадзіннікаў. Аднак VCsels не можа атрымаць лазеры высокай магутнасці вышэй за ўзровень ват, таму іх нельга выкарыстоўваць у галінах з высокімі патрабаваннямі да магутнасці.

Лазерны рэзанатар VCSEL складаецца з размеркаванага брэггаўскага адбівальніка (DBR), які складаецца з шматслаёвай эпітаксіяльнай структуры паўправадніковага матэрыялу як на верхняй, так і на ніжняй баках актыўнай вобласці, якая моцна адрозніваецца адлазеррэзанатар, які складаецца з плоскасці спайнасці ў EEL. Напрамак аптычнага рэзанатара VCSEL перпендыкулярны паверхні чыпа, выхад лазера таксама перпендыкулярны паверхні чыпа, а адбівальная здольнасць абодвух бакоў DBR значна вышэйшая, чым у плоскасці рашэння EEL.
Даўжыня лазернага рэзанатара VCSEL звычайна складае некалькі мікрон, што значна менш, чым даўжыня міліметровага рэзанатара EEL, а аднабаковае ўзмацненне, якое атрымліваецца за кошт ваганняў аптычнага поля ў рэзонаце, нізкае. Нягледзячы на ​​​​тое, што асноўны выхад у папярочным рэжыме можа быць дасягнуты, выхадная магутнасць можа дасягаць толькі некалькіх міліват. Профіль папярочнага перасеку выхаднога лазернага прамяня VCSEL мае круглую форму, а кут разыходжання значна меншы, чым у лазернага прамяня, які выпраменьвае край. Для дасягнення высокай выходнай магутнасці VCSEL неабходна павялічыць светлавую вобласць, каб забяспечыць большы каэфіцыент узмацнення, а павелічэнне светлавой вобласці прывядзе да таго, што выходны лазер стане шматмодавым. У той жа час, цяжка дасягнуць раўнамернай ін'екцыі току ў вялікай светлавой вобласці, і нераўнамерная ін'екцыя току пагоршыць назапашванне адпрацаванага цяпла. Карацей кажучы, VCSEL можа выводзіць круглую сіметрычную пляму ў базавым рэжыме праз разумную канструкцыю, але выхадная магутнасць нізкая, калі выхад у адзіным рэжыме. Таму некалькі VCsels часта інтэгруюцца ў рэжым вываду.