VCSEL中反射镜的设计

文章摘要：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％。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

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　　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％。

　　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。

　　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。

　　表 不同波段VCSEL的反射镜所对应的材料

　　尽管构成DBR反射镜的材料折射率差越大，反射率也就越高，但这同时意味着大的能带偏移。阻抗和价带的不连续性将会阻碍载流子的传输，导致高的串联电阻。为了克服这一问题，DBR异质界面处掺杂分布需要逐级变化。目前己经有了很多相关报道，包括台阶型、线性、抛物线型的异质界面掺杂分布。但是由于自由载流子的光吸收，还无法实现任意掺杂浓度的生长。为了减少光吸收，整体式VCSEL中的掺杂分布经过特制，以使光吸收可以在光场最大处最小。