VCSEL光腔的設(shè)計(jì)
在多對(duì)DBR結(jié)構(gòu)中，若中間區(qū)域某一層的厚度偏離1／4個(gè)波長(zhǎng)，則在該結(jié)構(gòu)中會(huì)形成駐波。最簡(jiǎn)單的情況是將中間的間隔設(shè)定為半波長(zhǎng)，這樣可以與兩邊的DBR層一起，構(gòu)成了一個(gè)小的F－P諧振腔。VCSEL的光腔厚度約為一個(gè)波長(zhǎng)左右，如圖所示。光腔中的有源層兩邊圍著高帶隙的包層。低帶隙的有源層和高帶隙的包層材料中的導(dǎo)帶和價(jià)帶的偏移，限制了載流子的移動(dòng)。為了在諧振腔里提供光增益，制作多量子阱結(jié)構(gòu)，F(xiàn)－P腔的光場(chǎng)最大值就在中心處。將量子阱位置與光場(chǎng)最大值處交疊，量子阱就可以提供最大的增益。例如，對(duì)應(yīng)于發(fā)射波長(zhǎng)650 nm，780 nm，850 nm，980 nm和1300 nm，其量子阱材料分別為InGaP，A1GaAs， GaAs， InGaAs不口InGaAsP。
VCSEL的激射需滿足諧振腔模式增益條件：
在VCSEL中由于短諧振腔，與普通的邊發(fā)射激光器有很大的不同。這里定性地引入一個(gè)增強(qiáng)因子r，表征由于諧振腔中自發(fā)輻射的自相干效應(yīng)導(dǎo)致的增益增強(qiáng)，于是上式修正為
式中，dac和dex分別為有源區(qū)和包層的吸收損耗，R1，R2分別是上、下DBR的反射率ad為衍射損耗。為定量地探討VCSEL的激射條件，光限制因子r采用近似公式r＝2d/Leff來(lái)計(jì)算，其中Leff是VCSEL的等效腔長(zhǎng)。
VCSEL激射的相位條件為
式中，θn和aex是波長(zhǎng)為九的光在N型及P型DBR高反膜中引起的反射相移。
量子阱VCSEL由于其光腔長(zhǎng)度只有1～2 ；tm，其光波模式間隔有50～100nm，而量子阱增益譜線寬度遠(yuǎn)小于50 nm，因此在進(jìn)行光腔設(shè)計(jì)時(shí)，首先要考慮VCSEL的諧振腔膜與量子阱材料的波長(zhǎng)匹配問(wèn)題；其次為了降低器件的閾值電流密度，還要考慮整個(gè)光腔中的駐波場(chǎng)分布。通過(guò)調(diào)節(jié)空間層的厚度7使量子阱材料位于駐波場(chǎng)的峰值位置，以提高模式的光限制因子，增大模式增益系數(shù)。
VCSEL中注入電流密度與模式增益的關(guān)系與普通量子阱激光器相同：
式中，騙為量子阱數(shù)。增加有源區(qū)量子阱數(shù)目，可以使光增益提高，降低閾值電流。但是，當(dāng)量子阱的數(shù)目增大到一定的數(shù)值時(shí)，將出現(xiàn)3個(gè)因素對(duì)器件的閾值電流密度產(chǎn)生影響。因?yàn)榱孔于寰哂幸欢ǖ膶挾龋虼瞬荒苁顾械牧孔于宥寂c駐波的峰值相對(duì)應(yīng)，離峰值越遠(yuǎn)的量子阱增益效率越低，因而無(wú)法提高光增益的效果。
總的穿透電流與量子阱的數(shù)目是成正比的，因此每增加一個(gè)量子阱就會(huì)使總的穿透電流增加，而穿透電流則是構(gòu)成整個(gè)器件閾值電流的一部分，因此閾值電流也會(huì)隨著穿透電流的增加而增加。
