VCSEL
VCSEL este un acronim pentru Vertical Cavity Surface Emitting Laser sau cu laser în cavitatea de emisie suprafață verticală. Au unele avantaje față de cele care emit de la margine, lateral. Structura lor permite producția și controlul calității pe o singură placă semiconductoare și, în cele din urmă, pot fi cultivate în matrice pentru aplicații, de exemplu în rețelele neuronale optice.
În industria telecomunicațiilor , radiația de ieșire uniformă, coerentă și de mod unic a VCSEL este ideală pentru cuplarea cu fibră optică . Cu toate acestea, VCSEL prezintă multe dificultăți de fabricație și nu poate fi utilizat la puteri mari.
Primul dispozitiv de acest fel a fost realizat în 1965 de Melngailis cu In Sb : răcit la 10 K și supus unui câmp magnetic pentru a permite închiderea purtătorilor , dispozitivul a emis radiații coerente cu o lungime de undă egală cu 5,2 mm. Primele VCSEL-uri, având oglinzi metalice, aveau densități exorbitante de curent prag (44 kA cm -2 ) și erau răcite cu hidrogen . Creșterea epitaxială a oglinzilor Ga As / Al GaAs datează din 1983 , iar reducerea volumului activ din cavitate a corespuns densităților de curent de prag mai mici. Astăzi în VCSEL curentul este limitat de oxizi , iar pragul a scăzut la 40 mA.
Lungimea cavității unui VCSEL este de obicei de 1-3 ori lungimea de undă a radiației emise. Ca rezultat, într-un singur pasaj prin cavitate, un foton are o probabilitate mică de a crea o emisie stimulată în cazul densităților purtătoare mici. Pentru a fi eficient, atunci un VCSEL are nevoie de oglinzi foarte reflectorizante. La laserele care emit pe margine, reflectivitatea fațetelor (interfața cu aerul) este de aproximativ 30%, un VCSEL necesită o reflectivitate de 99,9% pentru a avea curenți de prag mici. Oglinzile metalice nu permit atingerea acestor valori: se utilizează DBR ( reflectoare distribuite Bragg ), adică reflectoare distribuite Bragg (oglinzi). DBR-urile sunt cultivate prin depunerea straturilor alternante de semiconductori sau materiale dielectrice cu diferențe de indice de refracție . La dispersia minimă pentru fibrele optice, materialele utilizate în DBR au o mică diferență în indicele de refracție și, prin urmare, repetarea alternanței straturilor este necesară pentru numeroase perioade (cel puțin 30). Deoarece straturile DBR transportă și curent în dispozitiv, un număr mai mare de straturi crește rezistența electrică a dispozitivului, făcând disiparea căldurii un factor important de luat în considerare și în proiectarea dispozitivului. Prin urmare, este, de asemenea, important să minimizați numărul de niveluri.
În prezent, majoritatea VCSEL-urilor folosesc găuri cuantice în cavitate. Depunând un strat subțire de semiconductor cu un spațiu de bandă puțin mai mic, este posibil să se definească o regiune precisă în care se produc recombinații, permițând controlul proprietăților optice ale dispozitivului. În gaura cuantică, numai nivelurile de energie discrete sunt permise în banda de valență și conducție : în consecință, sunt permise doar tranziții între prima stare a benzii de conducție și prima stare a benzii de spațiu greu sau ușor. Mai multe găuri cuantice pot genera mai multă energie. Poziția găurii este crucială pentru maximizarea câștigului dispozitivului.
O lungime scurtată a cavității și introducerea a numeroase găuri cuantice reduce semnificativ probabilitatea de emisie stimulată într-un singur pasaj în cavitate. Radiația trebuie să călătorească de mai multe ori decât un laser Fabry-Pérot . Timpul mediu pe care fotonii îl petrec în cavitate este timpul de viață al fotonilor. Reflectivitatea oglinzilor trebuie să fie ridicată pentru a menține timpul de viață fotonic și, în consecință, posibilitatea interacțiunii cu stările electronice excitate.
Oglinzi de înaltă reflectivitate pot fi , de asemenea , cultivate din materiale dielectrice, cum ar fi Zn Se / MgF și Si / SiO2 : aceste perechi de izolatori au diferențe mari ale indicilor de refracție, dar sunt izolatori și săraci conductoare de căldură , o caracteristică care urmează să fie luate în considerare.
Curentul de prag poate fi redus prin reducerea dimensiunii cavității sau prin limitarea zonei secțiunii în care are loc câștigul optic. Este posibil să se excaveze o urmă, prin gravare chimică, care duce până la zona activă și care acționează și ca un ghid optic, deoarece diferența de indice de refracție dintre material și aer este puternică. Dar în acest fel, purtătorii se pierd din cauza recombinărilor de suprafață, iar capacitatea cavității de a disipa căldura scade. Apoi este posibil să se implanteze ioni în zone ale semiconductorului pentru a-l transforma în izolator , chiar dacă acest lucru poate deteriora structura cristalină a materialului.
Bibliografie
- I. Melngailis, Laser longitudinal cu injecție-plasmă al InSb , Letters Physics Applied, 6, No. 3, pp. 59-60. (1965)
- R. Potter și M. Infussi, Lasere cu emisie de suprafață , 2005 Disertație MPhil, Universitatea din Essex
- RD Burnham, DR Scifres și W. Striefer, lasere cu diodă GaAs cu feedback distribuit cu o singură heterostructură , IEEE J. Quant. Elec. QE-11 pp 439-449 (1975)
- Zh. I. Alferov , VM Andreyev, SA Gurevich, RF Kararinov, VR Larionov, MN Mizerov și EL Portnoy, lasere semiconductoare cu ieșire de lumină prin rețeaua de difracție de pe suprafața stratului de ghid de undă , QE-11 pp 449-451 (1975 )
- H. Soda, K. Iga, C. Kitahara și Y. Suematsu, Lasere de injecție cu suprafață GaInAsP / InP , Jpn. J. Appl. Fizic. 18, pp. 2329-2330 (1979)
- A. Chailertvanitkul, S. Uchiyama, Y. Kotaki, Y. Kokobun și K. Iga, Întâlnire anuală. Jpn. Soc. Appl. Fizic. Tokyo, Japonia (1983)
- I. Ibaraki, S. Ishikawa, S. Ohkouchi și K. Iga, Elec. Letts. 20 pp 420 (1984)
- DL Huffaker și colab. Laser cu undă continuă sub-40mA într-un laser cu emisie de suprafață a cavității verticale oxidate cu oglinzi dielectrice , IEEE Photon. Tehnologie. Lett. 8, pp. 974-76 (1996).
Elemente conexe
linkuri externe
- ( EN ) VCSEL , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
