VCSEL光腔的设计

文章摘要：在多对DBR结构中，若中间区域某一层的厚度偏离1／4个波长，则在该结构中会形成驻波。最简单的情况是将中间的间隔设定为半波长，这样可以与两边的DBR层一起，构成了一个小的F－P谐振腔。VCSEL的光腔厚度约为一个波长左右，如图所示。光腔中的有源层两边围着高带隙的包层。低带隙的有源层和高带隙的包层材料中的导带和价带的偏移，限制了载流子的移动。为了在谐振腔里提供光增益，制作多量子阱结构，F－P腔的光场最大值就在中心处。将量子阱位置与光场最大值处交叠，量子阱就可以提供最大的增益。例如，对应于发射波长650 nm，780 nm，850 nm，980 nm和1300 nm，其量子阱材料分别为InGaP，A

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　　在多对DBR结构中，若中间区域某一层的厚度偏离1／4个波长，则在该结构中会形成驻波。最简单的情况是将中间的间隔设定为半波长，这样可以与两边的DBR层一起，构成了一个小的F－P谐振腔。VCSEL的光腔厚度约为一个波长左右，如图所示。光腔中的有源层两边围着高带隙的包层。低带隙的有源层和高带隙的包层材料中的导带和价带的偏移，限制了载流子的移动。为了在谐振腔里提供光增益，制作多量子阱结构，F－P腔的光场最大值就在中心处。将量子阱位置与光场最大值处交叠，量子阱就可以提供最大的增益。例如，对应于发射波长650 nm，780 nm，850 nm，980 nm和1300 nm，其量子阱材料分别为InGaP，A1GaAs， GaAs， InGaAs不口InGaAsP。

　　VCSEL的激射需满足谐振腔模式增益条件：

　　在VCSEL中由于短谐振腔，与普通的边发射激光器有很大的不同。这里定性地引入一个增强因子r，表征由于谐振腔中自发辐射的自相干效应导致的增益增强，于是上式修正为

　　式中，dac和dex分别为有源区和包层的吸收损耗，R1，R2分别是上、下DBR的反射率ad为衍射损耗。为定量地探讨VCSEL的激射条件，光限制因子r采用近似公式r＝2d/Leff来计算，其中Leff是VCSEL的等效腔长。

　　VCSEL激射的相位条件为

　　式中，θn和aex是波长为九的光在N型及P型DBR高反膜中引起的反射相移。

　　量子阱VCSEL由于其光腔长度只有1～2 ；tm，其光波模式间隔有50～100 nm，而量子阱增益谱线宽度远小于50 nm，因此在进行光腔设计时，首先要考虑VCSEL的谐振腔膜与量子阱材料的波长匹配问题；其次为了降低器件的阈值电流密度，还要考虑整个光腔中的驻波场分布。通过调节空间层的厚度7使量子阱材料位于驻波场的峰值位置，以提高模式的光限制因子，增大模式增益系数。

　　VCSEL中注入电流密度与模式增益的关系与普通量子阱激光器相同：

　　式中，骗为量子阱数。增加有源区量子阱数目，可以使光增益提高，降低阈值电流。但是，当量子阱的数目增大到一定的数值时，将出现3个因素对器件的阈值电流密度产生影响。因为量子阱具有一定的宽度，因此不能使所有的量子阱都与驻波的峰值相对应，离峰值越远的量子阱增益效率越低，因而无法提高光增益的效果。

　　总的穿透电流与量子阱的数目是成正比的，因此每增加一个量子阱就会使总的穿透电流增加，而穿透电流则是构成整个器件阈值电流的一部分，因此阈值电流也会随着穿透电流的增加而增加。

　　综合考虑上述因素，对于腔长为凡的GaAs／AlGaAs基VCSEL，量子阱数的最佳值为3。随着DBR反射率的增加，所需阱数越来越少；阈值电流密度越来越低；垂直腔面发射激光器的腔长很短；注入面积可做得很小；有源区体积极小：动态调制频率有很大的提高。在相同的阈值电流密度下，注入面积越小，阈值电流越小，但是当注入面积接近衍射波长尺寸时，衍射损耗加大，又使阈值电流迅速上升。注入面积太大易使注入电流分布不均匀而产生高阶模。