干货！垂直腔面发射激光器的结构和原理
发布日期：2021-08-08
来源：光电资讯
近年来，垂直腔面发射激光器（VCSEL）由于其较低的阈值电流和垂直衬底表面出光的特性受到研究人员的广泛关注。
垂直腔面发射激光器（VCSEL）在阈值电流、使用寿命、大阵列集成等方面具有突出的优势。
其中长波长的面垂直发射激光器在光通信、原子钟、医学检测及气体检测等方面具有独特的应用优势，所以对于长波长垂直腔面发射激光器的研究意义重大。
垂直腔面发射激光器的结构和原理
从上到下结构上分别为P型电极、P型布拉格反射镜（P-DBR）、有源增益区、N型布拉格反射镜（N-DBR）、N型电极、衬底。
相比于边发射半导体激光器，VCSEL的出光方向垂直于衬底表面，法布里珀罗谐振腔较短，为了达到出光条件，VCSEL中的DBR反射镜需要更高的反射效率（>99%）。
DBR反射镜的性能直接影响到VCSEL器件的阈值电流、输出功率等主要参数，现阶段主要由AlGaAs/GaAs材料逐层生长制成，每一层材料的光学厚度为中心波长的1/4。氧化限制孔夹在DBR反射镜与有源区之间，用于电场与光场限制。
在靠近VCSEL器件有源区的上方和下方采用高Al组分的AlGaAs材料，放入高温潮湿环境下，利用湿法氧化工艺能够形成均匀致密的氧化层。
有源区夹在P-DBR与N-DBR之间，VCSEL器件工作时会在有源区形成驻波，使得光子能量放大最后形成激射。为了形成驻波，有源区的光学厚度应为半波长的的整数倍。
有源区量子阱的材料一般选用InGaAs/GaAsP材料体系，因为InGaAs一般会处于压应变状态，GaAsP可以提供应变补偿，解决了传统材料应变随激射波长的增加而增大的现象，还可以提供较高的增益。
VCSEL由于垂直于衬底表面出光的特性相比于传统的边发射半导体激光器拥有很多独特的优势。
一般边发射半导体激光器中的DBR反射镜反射效率只需达到60%即可形成激射，而VCSEL器件中的DBR反射镜反射率则需要达到99%以上。
虽然增加了制成工艺的难度，但由于更高的反射率，VCSEL的阈值电流更低，较大降低了器件的功率和腔内损伤，提升了器件的使用寿命；并且由于VCSEL的出光方向，更适合二维阵列集成；结合MEMS工艺可以实现波长的调制功能，使得单一器件能够得到更多的应用；除此之外，VCSEL同时具有易与光纤耦合，光电转换效率高，能够与大规模集成电路耦合等独特优势。
