VCSEL的总体结构设计

文章摘要：图是垂直腔面发射激光器的结构示意图。其有源区由多量子阱组成，有源区上、下两边分别由多层1／4波长厚的高、低折射率交替的外延材料形成DBR，出射光方向可以是顶部或衬底，这主要取决于衬底材料对所发出的激射光是否透明及上、下DBR究竟哪一个取值更大一些。图 垂直腔面发射激光器结构示意图由于垂直腔面发射激光器的这种独特结构，使得研制高性能的VCSEL的关键在于以下几点：（1）由于VCSEL的腔长较短，只有数个等效波长的量级，因而其相邻模式的间距很大，一般为几十纳米。这要求材料的增益谱峰值波长、多层高反膜即DBR的高反射谱中心波长，以及谐振腔的谐振波长三者要完全符合设计长度。 而且它的单程增益长度为量子

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　　图是垂直腔面发射激光器的结构示意图。其有源区由多量子阱组成，有源区上、下两边分别由多层1／4波长厚的高、低折射率交替的外延材料形成DBR，出射光方向可以是顶部或衬底，这主要取决于衬底材料对所发出的激射光是否透明及上、下DBR究竟哪一个取值更大一些。

　　图 垂直腔面发射激光器结构示意图

　　由于垂直腔面发射激光器的这种独特结构，使得研制高性能的VCSEL的关键在于以下几点：

　　（1）由于VCSEL的腔长较短，只有数个等效波长的量级，因而其相邻模式的间距很大，一般为几十纳米。这要求材料的增益谱峰值波长、多层高反膜即DBR的高反射谱中心波长，以及谐振腔的谐振波长三者要完全符合设计长度。 而且它的单程增益长度为量子阱的z方向，只有10 nm左右。因此要求腔内和腔面反射的损耗很小，增益系数很高，而且位于光场的波峰处才能在多次反射过程中积累光增强效应。这对器件的结构设计和材料生长控制提出了非常高的要求。而且DBR的反射率要达到99％以上，才有可能使器件有较低的阈值电流密度。

　　（2）由于掺杂的多层高反射膜DBR的各层之间形成了同型异质结，导致串联电阻大，尤其是由于空穴的有效质量较大，致使P型DBR的阻值更大，发热严重。这需要通过器件的优化设计及后工艺制备，尽量降低器件的串联电阻实现VCSEL的室温连续激射。

　　（3）采用合理的后工艺流程，形成优化的器件结构和器件尺寸，以限制电流和光场的分布，也是实现垂直腔面发射激光器低阈值室温连续工作，以及改善其横模特性和热特性的关键。