В.А.Гайслер, А.И.Торопов

Институт физики полупроводников СО РАН, Новосибирск, 630090, Россия

………………………………………………..

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРОВ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ РЕЗОНАТОРОМ.

Принцип работы полупроводниковых ЛВР тот же, что и у обычных полосковых полупроводниковых лазеров: в обоих типах лазеров используется резонатор Фабри-Перо и квантовое усиление в активной области достигается за счет инжекции и рекомбинации электронов и дырок в этой области. Принципиальное отличие лазеров заключается в способе формирования лазерного резонатора. Полупроводниковый полосковый лазер содержит резонатор Фабри-Перо, образованный двумя зеркалами, получаемыми путем скола полупроводниковой пластины вдоль кристаллографических направлений [110]. Таким образом, ось резонатора лежит в плоскости полупроводниковой пластины и излучение лазера также параллельно плоскости исходной пластины. В полупроводниковом ЛВР резонатор Фабри-Перо образован двумя брэгговскими зеркалами, которые формируются в едином технологическом процессе роста лазерной структуры или же в пост-ростовых технологических процессах. Слои брэгговских зеркал расположены параллельно исходной подложке, а ось резонатора и направление излучения перпендикулярны (вертикальны) по отношению к плоскости полупроводниковой пластины, что и определяет название лазеров - лазер с вертикальным резонатором. В англоязычной литературе наиболее распространены два варианта названия лазеров данного типа: vertical-cavity surface-emitting laser или vertical-cavity laser, общепринятые аббревиатуры, соответственно: VCSEL или VCL.

К настоящему времени разработано большое многообразие ЛВР, в которых используются различные типы активных областей, различные варианты брэгговских зеркал, различные схемы инжекции носителей заряда в активную область [1-4]. Общая схема ЛВР представлена на рис.1. Два брэгговских зеркала образуют резонатор лазера. Эти брэгговские зеркала, как правило, образованы полупроводниковыми четвертьволновыми слоями с чередующимися показателем преломления (например, l /4 слоями GaAs и l /4 слоями AlGaAs). Зеркала могут состоять и из диэлектрических l /4 слоев, они могут быть образованы и l /4 чередующимися слоями полупроводник –диэлектрик (например, l /4 слоями GaAs и l /4 слоями AlGaO). Между брэгговскими зеркалами лазера расположены полупроводниковые слои, содержащие активную область лазера. Активная область ЛВР содержит, как правило, одну или несколько полупроводниковых квантовых ям или один или несколько слоев полупроводниковых квантовых точек. С целью достижения высокой внутренней квантовой эффективности, активные области не легируются. В случае, если в лазере используются полупроводниковые брэгговские зеркала, инжекция носителей заряда в активную область может осуществляться непосредственно через зеркала, для чего в одном из зеркал (как правило, верхнем) используется p –тип легирования, в другом (нижнем) – n- тип легирования, и в целом лазер представляет собой p-i-n структуру. Если в лазере используются диэлектрические брэгговские зеркала, то в этом случае инжекция носителей заряда осуществляется «под зеркало» с использованием дополнительных контактных слоев. Такой вариант инжекции называется внутрирезонаторная инжекция.

Расстояние между брэгговскими зеркалами в ЛВР составляет обычно несколько l /2, в лазерах (в частности, в коммерческих ЛВР), где осуществляется инжекция носителей заряда через полупроводниковые зеркала, расстояние между зеркалами обычно составляет l. В лазерах с внутрирезонаторной инжекцией это расстояние приходится увеличивать до 2 l, 2.5 l, 3 l …. с той целью, чтобы добиться приемлемых значений омического сопротивления контактных слоев.

Для большинства лазеров, в том числе полосковых полупроводниковых лазеров, длина резонатора определяется как расстояние между зеркалами. Для лазеров с вертикальным резонатором, где расстояние между зеркалами (несколько l /2), как правило, меньше толщины брэгговских зеркал, образующих резонатор, вводится понятие эффективной длины резонатора. Эффективная длина резонатора определяется как некоторый участок резонатора, в котором локализована большая часть энергии моды. За счет проникновения световой волны в зеркала, этот участок превышает расстояние между зеркалами, и эффективная длина резонатора в ЛВР обычно в несколько раз превышает расстояние между брэгговскими зеркалами ЛВР (см. рис. 4). Однако и с учетом этого обстоятельства, лазеры с вертикальным резонатором имеют наименьшую длину резонатора в сравнении с любыми другими лазерными источниками (характерное значение эффективной длины резонатора в ЛВР ~1мкм). Соответственно ЛВР характеризуются наибольшим межмодовым расстоянием, существенно превосходящим полосу усиления активной области лазера, что предопределяет одномодовый режим генерации лазера.

Апертура ЛВР также может задаваться различными способами [1-4]. В настоящее время широкое распространение получил технологический прием, позволяющий селективно окислять слои AlGaAs, в результате чего формируется слой стабильного окисла AlGaO, который и используется для создания токовых и оптических апертур ЛВР [2, 3]. Кольцо окисла AlGaO располагается непосредственно над активной областью ЛВР (рис.1) и формирует эффективную токовую и оптическую апертуру лазера, размеры которой могут варьироваться в необходимых пределах (от единиц мкм до десятков мкм). В некоторых конструкциях ЛВР используется две оксидных апертуры, одна из них располагается над активной областью, другая ниже активной области. Окисел AlGaO может использоваться не только в апертурных слоях лазера. В ряде ЛВР этот окисел используется как конструкционный материал для брэгговских зеркал. Использование AlGaO в брэгговских зеркалах существенно повышает эффективность зеркал за счет увеличения контраста показателей преломления четвертьволновых слоев.

Типичный размер апертуры ЛВР составляет ~10мкм, что определяет заметно меньшую расходимость лазерного излучения (единицы градусов) в сравнении с полосковыми лазерами, где расходимость излучения составляет десятки градусов в плоскости, перпендикулярной p-n переходу. Как правило, апертура ЛВР имеет форму круга или квадрата, что определяет симметричную диаграмму направленности лазерного излучения.

Излучение ЛВР может выводиться как через верхнее зеркало, так и через нижнее зеркало и подложку, а также и через оба зеркала (см.рис.1,). Направление для вывода излучения определяется соотношением коэффициентов отражения нижнего и верхнего зеркал. Следует отметить, что к брэгговским зеркалам в ЛВР предъявляются очень высокие требования. За счет того, что длина активной усиливающей области в ЛВР очень мала (в типичном случае это толщина нескольких квантовых ям, т.е. длина усиливающей области составляет в лучшем случае несколько десятков нм), усиление за один обход резонатора составляет всего лишь около 1%. Таким образом, для достижения генерации в резонаторе лазера требуется использовать высокоэффективные зеркала с коэффициентами отражения не ниже 0.99. Типичные значения коэффициентов отражения для выходных зеркал ЛВР лежат в интервале 0.99 ¸ 0.995, коэффициенты отражения плотных зеркал ЛВР стремятся приблизить к значениям 0.999. Столь высокие коэффициенты отражения брэгговских зеркал достигаются путем использования большого числа пар четвертьволновых слоев, если речь идет о полупроводниковых брэгговских зеркалах. Так например, при использовании чередующихся четвертьволновых слоев GaAs и AlAs, требуется около 20 пар этих слоев для достижения коэффициента отражения 0.999. В коммерческих ЛВР структурах в силу ряда технологических требований не используются бинарные соединения GaAs и AlAs. Вместо них используются твердые растворы, например Al_0.15Ga_0.85As и Al_0.92Ga_0.08As, что снижает контраст показателей преломления и заметно уменьшает коэффициент отражения зеркал. Кроме того, в лазерных структурах для снижения омического сопротивления используются градиентные слои твердых растворов на границах слоев, что также снижает коэффициент отражения брэгговского зеркала. Наконец, легирование полупроводниковых брэгговских зеркал тоже приводит к заметному снижению их коэффициента отражения за счет поглощения света на свободных носителях заряда. В итоге, для достижения необходимых значений коэффициентов отражения в брэгговских зеркалах ЛВР требуется использовать большее число пар слоев с чередующимися показателями преломления. Типичным для коммерческих ЛВР является использование 25 пар слоев в выходном зеркале и 35 пар в плотном зеркале. Спектр отражения выходного зеркала, содержащего 25 пар слоев, представлен на рис.2. Максимальное значение коэффициента отражения превышает уровень 0.99 на рабочей длине волны лазера 850нм. Горизонтальной стрелкой на рисунке отмечен участок спектра с высоким коэффициентом отражения (>0.9), ширина этого участка для полупроводниковых брэгговских зеркал составляет ~100нм. На рис.3 представлен спектр отражения полной лазерной структуры, которая используется для создания коммерческих ЛВР. На длине волны 850нм спектр содержит резонанс Фабри-Перо, положение которого определяет рабочую длину волны лазера.

На рис. 4 представлен профиль показателя преломления n (z) и распределение квадрата амплитуды электрического поля световой волны E ²(z) в лазерном резонаторе. Горизонтальным отрезком на рисунке отмечена эффективная длина резонатора L _eff, которая составляет ~1мкм. Расстояние между выходным зеркалом (25 пар слоев) и плотным зеркалом (37 пар слоев) в коммерческой лазерной структуре равно l, что составляет ~0.25мкм. На рис.5 также представлен профиль показателя преломления n (z) и распределение квадрата амплитуды электрического поля световой волны E²(z) в большем масштабе для центральной части лазерного резонатора. Активная область коммерческого лазера содержит три GaAs квантовые ямы шириной 8нм. Для достижения максимального коэффициента оптического ограничения квантовые ямы располагаются вблизи максимумов амплитуды стоячей волны (рис.5).

Перечислим основные преимущества и достоинства лазеров с вертикальным резонатором, которые непосредственно определяются конфигурацией этих излучателей:

1) Малая расходимость излучения, симметричная диаграмма направленности излучения за счет относительно больших и симметричных апертур лазеров. Эффективность ввода излучения ЛВР в оптическое волокно может превышать 90% за счет хорошего согласования параметров излучения лазера с числовой апертурой волокна.

2) Низкие пороговые и рабочие токи за счет малого объема резонатора. ЛВР являются наиболее миниатюрными лазерными источниками.

3) Сверхвысокие частоты токовой модуляции за счет сверхмалой длины и малого объема лазерного резонатора. Уровень, достигнутый к настоящему времени составляет ~20ГГц.

4) Одномодовый режим работы, определяемый большим межмодовым расстоянием, что задается сверхмалой длиной резонатора.

5) Высокая температурная стабильность длины волны генерации, что определяется малым температурным коэффициентом изменения положения резонанса Фабри-Перо. Типичное для ЛВР значение dl/dT »0.06нм/градус, что в пять раз ниже в сравнении с аналогичным параметром для полосковых полупроводниковых лазеров.

6) Возможность создания линеек и матриц ЛВР с большим числом элементов, что может быть использовано в быстродействующих оптических системах передачи и обработки информации.

7) Использование стандартных микроэлектронных технологических процессов в изготовлении ЛВР, возможность автоматизированного тестирования и разбраковки лазеров на пластине до ее разделения на чипы и до корпусирования.

…………………………………………………………….

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. T.E.Sale, Vertical Cavity Surface Emitting Lasers, John Wiley & Sons Inc., 1995.

2. Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers: Design, Fabrication, Characterization and Application, edited by Wilsmen C.W., Temkin H. and Coldren L., Cambridge University Press, 1999.

3. Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers: Technology and Applications, edited by Cheng J. and Dutta N.K., Gordon and Breach Science Publishers, 2000.

4. Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers, Devices, edited by H.E.Li and Kenichi Iga, Springer Verlag, 2002.

5. Huffaker D.L., Deppe D.G. // Appl. Phys. Lett. 1997. V.70. № 14. P.1781.

ПОДПИСИ К РИСУНКАМ

Рис.1. Общая схема лазера с вертикальным резонатором.

Рис.2. Спектр отражения брэгговского зеркала лазера с вертикальным резонатором.

Рис.3. Спектр отражения полной лазерной структуры.

Рис.4. Профиль показателя преломления n (z) и распределение квадрата амплитуды электрического поля световой волны E ²(z) для коммерческого ЛВР с длиной волны генерации 850нм.

Рис.5. Профиль показателя преломления n (z) и распределение квадрата амплитуды электрического поля световой волны E ²(z) для центральной области ЛВР с длиной волны генерации 850нм.

Рис.1

Рис.2

Рис.3

Рис.4.

Рис.5.