VCSELVCSELVertical Cavity Surface-Emitting LaserVertical Cavity Surface-Emitting Laser

Docente: Mauro MoscaDocente: Mauro Mosca

(www.dieet.unipa.it/tfl)(www.dieet.unipa.it/tfl)

Ricevimento: alla fine della lezione o per appuntamento

Università di Palermo – Facoltà di Ingegneria (DEIM)

A.A. 2013-14A.A. 2013-14

Edge-emittingEdge-emitting e e surface-emittingsurface-emitting laser laser

- Applications: color displays, bio-sensing, printing applications (using VCSEL arrays would increase printing throughput) and optical data storage

- Advantage over edge emitting LDs: micrometric size, that allows larger devices density on substrates

- No additional technology steps for the realization of good reflective facets (for edge emitting LDs: chemical assisted ion beam etching, cleaving focused ion beam polishing or wet chemical polishing)

- Circularly shaped, low numerical aperture beam (ideal sources for fiber coupling and free space optics), single longitudinal mode operation (due to a cavity length of the order of one λ), low power dissipation and significantly lower operating currents

Sezione di una cavità VCSEL planareSezione di una cavità VCSEL planare

/n

Only a few single longitudinal modes are supported by a VCSEL cavity

The emission wavelength is not determined anymore by the maximum gain of the active material but rather by the geometry of the cavity. Thus, VCSELs can lase only if the QW emission wavelength approximately coincides with the cavity mode

Lasing in a VCSEL critically depends on the reflectivity of both the top and bottom mirrors.

99%

epitaxially grownor dielectric

Condizione di soglia (threshold)Condizione di soglia (threshold)

- The lasing condition in a laser is reached when the amplitude of the optical field is maintained after a round trip in the cavity

- This condition is reached when the optical gain in the cavity is sufficient to compensate all the losses the field experiences in the cavity during a round trip

INTERNAL LOSSES EXTERNAL LOSSES

absorption scattering diffraction mirror reflectivity

threshold modal gain threshold material gain

The confinement factors (Γxy and Γz) accounts for the volume actually occupied by photons in the cavity, that is usually larger than the active region volume

small… standing wave enhancement factor

Distribuzione di campo Distribuzione di campo longitudinale dentro la cavitàlongitudinale dentro la cavità

enh = 2

Guadagno e corrente di soglia in Guadagno e corrente di soglia in funzione della riflettivitàfunzione della riflettività

Guadagno e corrente di soglia in Guadagno e corrente di soglia in funzione della riflettività (InGaAs QW)funzione della riflettività (InGaAs QW)

Guadagno e corrente di soglia in Guadagno e corrente di soglia in funzione della riflettività (InGaAs QW)funzione della riflettività (InGaAs QW)

Guadagno e corrente di soglia in Guadagno e corrente di soglia in funzione della riflettività (GaN QW)funzione della riflettività (GaN QW)

Guadagno e corrente di soglia in Guadagno e corrente di soglia in funzione della riflettività (GaN QW)funzione della riflettività (GaN QW)

Altre perdite Altre perdite (scattering alle interfacce e diffrazione)(scattering alle interfacce e diffrazione)

DBR (Distributed Bragg Reflectors)DBR (Distributed Bragg Reflectors)normal incidence

++

the two contributions sum in phase at the design wavelength λ0

a mirror with a wide stop-band ensures a higher tolerance with respect to emission wavelength variations

DBR: lunghezza efficace della cavitàDBR: lunghezza efficace della cavità

The penetration of the optical mode into the DBR stack has to be taken into account, as it defines the effective cavity length and, subsequently, the wavelength of the lasing mode

The penetration depth leff of the DBR is defined as the depth into the

mirror, at which the optical field intensity is equal to 1/e of its value at the input of the mirror

DBR: effetti delle perdite per assorbimentoDBR: effetti delle perdite per assorbimento

reflectivity ofan m-pair DBR

absorptioncoefficientof the DBR

high n helps to reduce the absorption losses of the mirrors

low n and high DBRand 0 for longwavelength VCSEL

Effetto interfacce gradualiEffetto interfacce graduali

- Interfaces not abrupt!

- The material is linearly gradedover a distance of some tens ofnm in orded to reduce theelectrical resistance across theinterface

Resistenza degli specchiResistenza degli specchi

Resistenza degli specchiResistenza degli specchi

doping

fabricationtechnology

simpler

barrier for holes(high R)

Specchi gradualiSpecchi graduali

valenceband

Efficienza differenzialeEfficienza differenziale

fattore di normalizzazione1.

2.

mirror losses

total losses

3.

Efficienza differenzialeEfficienza differenziale

depends on cavity design

depends on mirror design

Wall-plug efficiencyWall-plug efficiency

top mirror: 19 periods

Wall-plug efficiencyWall-plug efficiency

W

Inoltre… se la riflettività diminuisce troppo,aumenta la corrente di soglia!!!

Confinamento lateraleConfinamento laterale

Injections schemes for GaAs-based VCSELs: - conductive DBRs with and without current confinement layers;- annular intra-cavity contacts in combination with one or two current confinement layers

sacrificial layer

Ossidazione laterale dell’AlAsOssidazione laterale dell’AlAs

.

Ossidazione laterale dell’AlAsOssidazione laterale dell’AlAs

W

?

TEnergia libera di Gibbs a 698 K

< 0, vuol dire che la reazione è spontanea nella direzione indicata

With GaAs (instead of AlAs): G > 0!!

Ossidazione laterale dell’AlAsOssidazione laterale dell’AlAs

Controlled Evaporated and Mixing systemprocesso lineare… ma diventa dipendente dalla radicequadrata

i gas reagenti penetrano difficilmenteattraverso l’ossido(per alti spessori dello stesso ossido)

Ossidazione laterale dell’AlGaAsOssidazione laterale dell’AlGaAs

Fabbricazione di un VCSEL con Fabbricazione di un VCSEL con ossidazione lateraleossidazione laterale

Ossidazione laterale in VCSEL a nitruriOssidazione laterale in VCSEL a nitruri

Ossidazione laterale in VCSEL a nitruriOssidazione laterale in VCSEL a nitruri

Ossidazione laterale in VCSEL a nitruriOssidazione laterale in VCSEL a nitruri