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VCSEL中反射镜的设计

  VCSEL中的DBR反射镜需要对光场进行纵向的限制。而且由于谐振腔长度较短,故反射损耗比较大,因此反射率必须要很高,最好能超过99%。如图1所示,DBR反射镜由1/4个波长厚度的高反射率和低反射率的介质材料交替组成。将多个这样的交替结构排列起来,所构成反射器的反射率就可以达到99%。

腔长为1个波长的量子阱VCSEL结构

  图1 腔长为1个波长的量子阱VCSEL结构

  图2是一个典型的红外波段F-P腔结构VCSEL的计算反射率示意图。在反射谱中波长为850 nm处有一个下跌,正好在反射镜的高反射带的中间处,与光腔的谐振波长相同。反射镜的反射率和高反射带与DBR中材料的折射率差成正比。

  绝缘材料的DBR反射镜的优点是不同介质之间的折射率差较大,可以得到高的反射率,所需要的DBR反射镜对数也就越少,并且有着很大的高反射带宽度。例如采用5对ZnSe/CaF2构成的DBR反射镜可以得到99%的反射率。而AlZO3/AlAs构成的DBR反射镜更是只需要4对就足够了,并且有着460 nm的高反射带宽度。但其最大的缺点就是DBR反射镜与有源层材料不同,无法用统一的工艺来完成,只能通过后续工艺集成在一起,制作过程非常复杂。

红外波段F-P腔结构VCSEL的计算反射率示意图

  图2 红外波段F-P腔结构VCSEL的计算反射率示意图

  为了解决这一问题,人们设计出基于全半导体材料的DBR。反射镜与光腔在外延生长的过程中一起完成;简化了VCSEL的制作工艺,并且电流可以通过反射镜注入到有源区内。当然,全半导体DBR的缺点就是其反射镜的折射率差并不很高,因此需要多个DBR对才能得到高反射率。例如,850 nm的VCSEL,GaAs/A1As构成的DBR需要20对才能得到99.86%的反射率。DBR层的组成材料必须有着足够的折射率差,并且对激射光波长透明。

  VCSEL对应不同的波长,其DBR的构成材料也不尽相同,出射光980 nm的采用GaAs/AlAs,650 nm的采用A10.5GaO.5As/A1As。对于长波长的InGaAsP/InP系列来说,折射率差非常小,因此需要将GaAs/A1As的DBR反射镜组分别生长,然后再与InGaAsP的有源区集成。

  各种波段所对应的材料(包括半导体材料和绝缘材料)如表所示。

不同波段VCSEL的反射镜所对应的材料

  表 不同波段VCSEL的反射镜所对应的材料

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