VCSEL은 통칭 Vertical Cavity Surface Emitting Laser로 불리는 반도체 레이저의 일종이다. 현재 대부분의 VCSEL은 GaAs 반도체를 기반으로 하며, 방출 파장은 주로 적외선 대역에 있습니다.
1977년에 도쿄 공과 대학의 이카 켄이치(Ika Kenichi) 교수가 처음으로 수직 공동 표면 방출 레이저의 개념을 제안했습니다. 초기에 그는 공동 길이를 단축하여 안정적인 출력을 갖는 단일 종방향 모드 반도체 레이저를 얻고자 했습니다. 그러나 이 설계의 짧은 단방향 이득 길이로 인해 레이저 레이저를 얻기가 어려워 VCSEL의 초기 연구가 길어졌습니다. 2년 후 Yihe Jianyi 교수는 액상 에피택시 기술(용액에서 고체 물질을 침전시키고 이를 기판에 증착하여 단결정 박층을 생성하는 액상 에피택시 방법)을 사용하여 77K에서 GaInAsP 시리즈 레이저의 펄스 레이저를 성공적으로 구현했습니다. ). 1988년에 GaAs 시리즈 VCSEL은 유기 화학 기상 증착(OCVD) 기술을 통해 성장되어 실온에서 연속 작동을 달성했습니다. 에피택셜 기술의 지속적인 개발로 반사율이 높은 반도체 DBR 구조를 제조할 수 있으며, 이는 VCSEL 연구 프로세스를 크게 가속화합니다. 20세기 말, 연구 기관에서 다양한 구조를 시도한 후 산화 제한 VCSEL의 주류 상태가 거의 확립되었습니다. 그런 다음 성능이 지속적으로 최적화되고 개선되는 성숙 단계로 이동했습니다.
산화 제한형 상부 방출 레이저의 단면도
활성 영역은 장치의 필수 부분입니다. VCSEL 공동은 매우 짧기 때문에 공동의 활성 매체는 레이저 모드에 대해 더 많은 이득 보상을 제공해야 합니다.
우선, 레이저를 생성하려면 세 가지 조건이 동시에 충족되어야 합니다.
1) 활성 영역의 캐리어 반전 분포가 설정됩니다.
2) 적절한 공진 공동은 자극된 방사선이 여러 번 피드백되어 레이저 진동을 형성할 수 있도록 합니다. 그리고
3) 전류 주입은 다양한 손실의 합보다 크거나 같은 광학 이득을 만들고 특정 전류 임계값 조건을 충족할 만큼 충분히 강합니다.
세 가지 기본 조건은 VCSEL 장치 구조의 설계 개념에 해당합니다. VCSEL의 활성 영역은 변형된 양자 우물 구조를 사용하여 내부 캐리어 반전 분포를 구현하기 위한 기반을 구축합니다. 동시에, 방출된 광자가 일관된 진동을 형성하도록 적절한 반사율을 갖는 공진 공동이 설계되었습니다. 마지막으로, 광자가 장치 자체의 다양한 손실을 극복하여 지속적인 수명을 생성할 수 있도록 충분한 주입 전류가 제공됩니다.
광통신 기업인 Shenzhen HDV Optoelectronic Technology Co., Ltd.는 VCSEL을 이렇게 설명했습니다.