浅谈垂直腔面发射激光器的设计原则

浅谈垂直腔面发射激光器的设计原则

相比边发射激光器而言，垂直腔面发射激光器（Vertical-cavity surface-emitting laser，简称VCSEL）拥有更低的阈值电流和更高的光束质量。同时，由于VCSEL光子输运是沿外延生长方向，因此VCSEL拥有更高的模式选择性，且易于实现二维阵列集成。VCSEL的上述优点使其为未来的光通信以及大规模集成电路的光互联提供了无限可能。

然而VCSEL的工作模式对器件设计提出了更高要求。首先，需要精确控制VCSEL腔长，从而使增益区置于腔内驻波波腹处，实现更高的受激辐射效率，这对VCSEL腔的设计和工艺则提出了更为苛刻的要求；第二，为了减小光的自吸收效应，需要将激光器中高吸收材料及光学限制层置于腔内驻波的波节处（图1）；第三，VCSEL器件的激射波长、有源区和DBR的厚度需要精确控制，从而实现激射波长、增益波长区域与DBR反射谱的三者之间的完美重叠（图2）；第四，DBR中相位层的设计也将直接影响DBR的反射率、阈值电流和激光功率。

图1. VCSEL驻波以及折射率分布

图2. VCSEL反射率、增益、以及激射波长位置分布

参考文献：

[1]. 伊贺健一，面发射激光器基础与应用,科学出版社，2002.