VCSEL光腔的设计
出处:angeleyes 发布于:2008-12-03 10:53:10
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。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腔的光场值就在中心处。将量子阱位置与光场值处交叠,量子阱就可以提供的增益。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。
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