1垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL的基本特征和性能指標(biāo)分析概述垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL的基本特征和性能指標(biāo)分析概述 1 1 11.1.3自發(fā)輻射與受激輻射 2 2 21.2VCSEL的性能指標(biāo) 3 3 4 4 1.3.2溫度特性 51.3.3電流閾值 61.1垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL的基本特征1.1.1VCSEL的結(jié)構(gòu)一般VCSEL的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由三個(gè)部分組成，分別為：有源區(qū)、布拉格反射鏡、金屬電極。其中，有源區(qū)位于N型摻雜和P型摻雜的兩個(gè)布拉格反射鏡之間。為了減小閾值電流并提高峰值功率，一般會在有源區(qū)中加入2~4個(gè)量子阱26]2這一過程稱為自發(fā)輻射(見圖4(a))。當(dāng)光子在導(dǎo)帶中有電子和價(jià)帶中有空穴的半導(dǎo)體中傳輸時(shí)，受激輻射過程將使光子數(shù)增加。圖4(b)給出了受激輻射過程前后電子的占據(jù)情況。光子在將電子從價(jià)帶激發(fā)V光子輻射V光子輻射V→入射和輻射光子V→入射光子1.1.4VCSEL的工作原理VCSEL是以直接帶隙半導(dǎo)體為光增益介質(zhì)的激光器，其核心是一個(gè)具有光反饋結(jié)構(gòu)的p-n結(jié)二極管，通常被稱為激光二極管(如圖5)。為二極管加上正電在諧振腔內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的光振蕩，端面發(fā)出激光23。LLWn型半導(dǎo)體理解面激光1.1.5馳豫振蕩在注入電流后，載流子濃度和光子濃度均有一個(gè)弛豫過程。如圖6所示，當(dāng)VCSEL的注入電流大于閾值電流時(shí)，有源區(qū)的載流子濃度逐漸上升，但光子濃3度減低。經(jīng)過一段時(shí)間后，載流子濃度和光子濃度達(dá)到動態(tài)平衡21.2VCSEL的性能指標(biāo)1.1.1電光延遲時(shí)間當(dāng)VCSEL進(jìn)行脈沖調(diào)整時(shí)，需要解決電光延遲時(shí)間的問題，才能提高脈沖調(diào)制速率。從注入電流，到光脈沖達(dá)到最大光子數(shù)密度的10%所經(jīng)歷的時(shí)間，即1.1.2上升時(shí)間上升時(shí)間tr,即光脈沖從最大光子數(shù)密度的10%,增加到最大光子數(shù)密度的90%所用的時(shí)間。圖5中t?到t2的時(shí)間，即為上升時(shí)間。VCSEL在激光雷達(dá)測距的應(yīng)用中，當(dāng)光脈沖寬度相同時(shí)，脈沖的上升沿越VCSEL輸出數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性及可靠性，我們需要擁有盡可能小的上升時(shí)間的激光1.1.2布拉格反射鏡布拉格反射鏡(DBR)的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，它由多層介質(zhì)組成，折射率4呈周期性變化。制作DBR時(shí)，需要折射率大和折射率小的兩種材料，在村底上1)是1/4反射鏡，即各層的厚度均為1/4波長。這樣的結(jié)構(gòu)可以使入射光線2)兩種介質(zhì)均為對入射光透明的材料，以消除其光損耗。3)盡量增大兩種材料的折射率差。對于1/4反射鏡，通常要生長十幾對膜層，才可以達(dá)到95%以上的反射率。而兩種材料的折射率差越大，DBR的反射4)對于半導(dǎo)體材料，還要求它們之間，以及與襯底材料晶格匹配，以減少combinationof有源區(qū)內(nèi)的光子有三條途徑可以產(chǎn)生或湮滅：一二是自發(fā)輻射引起光子增加；三是損耗引起光子減少(這三項(xiàng)具體計(jì)算公式將在本文中，采用在上升過程中的平均受激輻射速率，即最大光子數(shù)密度的80%(從最大光子數(shù)密度的10%到90%)與上升時(shí)間的比值。受激輻射速率代表了光子產(chǎn)生的速度，因此，為了保證VCSEL輸出高峰值1.3VCSEL單模速率方程5自然、研究和設(shè)計(jì)各種光電子器件(特別是半導(dǎo)體激光器)有效而成功的理論。本文采用半導(dǎo)體單模速率方程來研究VCSEL陣列的瞬態(tài)響應(yīng)過程，其具體表達(dá)式如下：式(1)表示載流子變化速率，等號右側(cè)：第一項(xiàng)表示由注入電流引起的載示由于受激輻射引起的載流子減少的速率。式(2)表示光子變化速率，等號右1.3.1氧化孔徑特性有源區(qū)體積V與氧化孔徑a有關(guān)，表達(dá)式為：6從速率方程可以看出，VCSEL有源區(qū)載流子密度N和光子密度S隨著注入電流i(t)的變化而變化。氧化孔徑a通過影響有源區(qū)體積V,進(jìn)而影響VCSEL有源區(qū)載流子密度N和光子密度S;環(huán)境溫度T通過影響增益系數(shù)g(T)和透明載流子密度Nt(T),進(jìn)而影響VCSEL有源區(qū)載流子密度N和光子密度S。1.3.3電流閾值際工程應(yīng)用中，把握VCSEL激光器的閾值行為，并理解其體現(xiàn)的內(nèi)在機(jī)制，能分別令式(1)和式(2)中等號左側(cè)為0,可以推導(dǎo)出光子密度S和注入電從式(7)可以看出，閾值