Лазеры с вертикальным резонатором

Конструкция и принцип действия лазеров с вертикальным резонатором

Лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL — Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) представляют собой особый класс полупроводниковых лазеров, в которых оптическая резонансная полость ориентирована перпендикулярно к плоскости активного слоя. Это принципиально отличает их от традиционных краевых полупроводниковых лазеров, где резонатор лежит в плоскости слоя. Лазерное излучение в VCSEL испускается перпендикулярно к поверхности чипа, что открывает ряд новых технологических и эксплуатационных возможностей.

VCSEL состоят из нескольких ключевых элементов:

активной области, в которой происходит генерация фотонов;
зеркал Брэгга, формирующих вертикальную резонаторную полость;
токораспределяющих слоев;
контактных электродов для подачи тока;
дополнительных структур (например, туннельных переходов или апертур), обеспечивающих модовую селекцию и контроль теплового режима.

Активная область и резонатор

Активная область VCSEL, как правило, представляет собой квантово-размерную структуру — чаще всего набор квантовых ям. Эти ямы изготавливаются из гетероструктур III-V соединений, таких как GaAs/AlGaAs или InGaAs/GaAs. Количество квантовых ям варьируется от одной до нескольких (3–5), в зависимости от желаемой мощности и условий теплового отвода.

С обеих сторон активной области размещаются зеркала Брэгга — многослойные структуры с чередующимися слоями материалов с разными показателями преломления. Каждый слой имеет толщину, равную четверти длины волны (λ/4) в данном материале. Зеркала обеспечивают высокий коэффициент отражения (>99.9%), необходимый для поддержания лазерной генерации в вертикальном резонаторе, длина которого составляет лишь несколько микрон.

Механизм генерации

При подаче прямого тока через полупроводниковую структуру осуществляется инжекция носителей в активную область. В результате рекомбинации электронов и дырок в квантовых ямах происходят спонтанные и индуцированные переходы, сопровождающиеся испусканием фотонов. Фотон многократно отражается между верхним и нижним зеркалом, усиливаясь за счёт стимулированной эмиссии. Если усиление превышает потери в системе, возникает устойчивая лазерная генерация. Излучение выходит через одно из зеркал, частично пропускающее свет.

Тококонфайнмент и модовая селекция

Для обеспечения одномодовой генерации и снижения порогового тока применяются технологии тококонфайнмента. Одним из наиболее распространённых решений является оксидная апертура, формируемая путём окисления слоёв AlAs или AlGaAs с высоким содержанием алюминия. В результате создаётся изолирующее кольцо, которое ограничивает ток в центральной области и сужает апертуру генерации. Это повышает эффективность и способствует селекции фундаментальной поперечной моды.

В альтернативных вариантах применяются протонная имплантация или вертикальные туннельные переходы, позволяющие также добиться эффективной модуляции и управления модами.

Оптические и электрические характеристики

VCSEL характеризуются рядом уникальных параметров:

Низкий порог генерации — за счёт короткой длины резонатора и высокой отражательной способности зеркал пороговые токи находятся на уровне единиц миллиампер.
Когерентность и излучение с узкой спектральной шириной — ширина линии может составлять менее 100 МГц, что важно для прецизионных измерений.
Низкая расходимость пучка — выходное излучение близко к гауссовскому профилю, что упрощает фокусировку и коллимацию.
Высокая дифференциальная эффективность — достигается за счёт высокой плотности фотонного состояния и малых объемов моды.
Малая мощность одиночных приборов — типично выходная мощность одиночного VCSEL составляет 1–5 мВт, но с возможностью масштабирования в массивы.

Динамика и модуляционные свойства

VCSEL обладают высокой скоростью отклика и способны работать на частотах модуляции свыше 25–40 ГГц. Это делает их идеальными кандидатами для использования в телекоммуникациях (например, в стандартах 100G Ethernet), оптических интерфейсах (AOC, transceivers), сенсорах и системах ближней связи.

Одним из преимуществ VCSEL является малый радиальный градиент температуры и симметрия излучения, что делает возможной эффективную работу при высоких скоростях модуляции без значительного ухудшения спектра.

Массивы VCSEL

Для увеличения выходной мощности и расширения области применения разрабатываются двумерные массивы VCSEL. Они состоят из сотен и тысяч индивидуальных лазеров, размещённых на одном кристалле. Массивы позволяют достичь высокой интеграции, параллельной генерации и пространственно-избирательного излучения. В мощных массивах применяются специальные технологии отвода тепла и управления распределением тока.

Преимущества VCSEL по сравнению с краевыми лазерами

Перпендикулярный выход излучения упрощает интеграцию с другими оптоэлектронными элементами (например, микролинзами, волноводами, фотодиодами).
Возможность массового тестирования на стадии производства — генерация возможна без вскрытия корпуса.
Высокая воспроизводимость параметров за счёт вертикальной симметрии структуры.
Совместимость с CMOS-технологиями, позволяющая интеграцию в гибридные фотонные микросхемы.

Ограничения и проблемы

Несмотря на многочисленные преимущества, у VCSEL существуют определённые недостатки:

ограниченная выходная мощность одиночного элемента;
чувствительность к температуре, особенно в узкополосных приложениях;
необходимость точного контроля толщины слоёв при росте структур;
сложности с получением коротковолнового и длинноволнового излучения (λ < 850 нм или λ > 1.3 мкм).

Для работы на длинах волн 1300 и 1550 нм используются материалы на основе InP или технологии, включающие DBR-отражатели из диэлектриков и гетероэпитаксию на подложках с решётчатой несогласованностью.

Применения лазеров с вертикальным резонатором

VCSEL нашли широкое применение в различных отраслях:

Оптические коммуникации — в системах коротких и средних дистанций (оптические интерфейсы, оптический Ethernet);
3D-сенсоры и лидары — в устройствах распознавания лиц, мобильных гаджетах, беспилотных системах;
Оптические мыши и датчики положения — благодаря стабильному когерентному излучению и малым габаритам;
Системы позиционирования и интерферометрии — из-за высокой стабильности частоты излучения;
Медицинская диагностика и биофотоника — например, в оптической когерентной томографии (OCT).

VCSEL также становятся ключевым элементом для технологии LiDAR-on-chip, а также в архитектурах квантовой связи и нейроморфных фотонных вычислений.

Современные направления исследований

Исследования в области VCSEL направлены на:

расширение спектра рабочих длин волн;
интеграцию с кремниевыми фотонными платформами;
разработку ультрабыстрых VCSEL для передачи данных на скорости более 100 Гбит/с;
изучение нелинейных эффектов и синхронизации в массивах;
создание VCSEL со структурой фотонных кристаллов для сверхузкой модовой селекции;
реализацию поляризационно-управляемых VCSEL и VCSEL с непрерывной перестройкой длины волны (tunable VCSEL).

Развитие технологии VCSEL продолжает оказывать существенное влияние на современную лазерную фотонику, оптоэлектронику и телекоммуникации, открывая новые горизонты как для фундаментальных исследований, так и для прикладных решений.