VCSEL中反射鏡的設(shè)計(jì)
VCSEL中的DBR反射鏡需要對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行縱向的限制。而且由于諧振腔長(zhǎng)度較短，故反射損耗比較大，因此反射率必須要很高，最好能超過(guò)99％。如圖1所示，DBR反射鏡由1／4個(gè)波長(zhǎng)厚度的高反射率和低反射率的介質(zhì)材料交替組成。將多個(gè)這樣的交替結(jié)構(gòu)排列起來(lái)，所構(gòu)成反射器的反射率就可以達(dá)到99％。
圖1 腔長(zhǎng)為1個(gè)波長(zhǎng)的量子阱VCSEL結(jié)構(gòu)
圖2是一個(gè)典型的紅外波段F－P腔結(jié)構(gòu)VCSEL的計(jì)算反射率示意圖。在反射譜中波長(zhǎng)為850 nm處有一個(gè)下跌，正好在反射鏡的高反射帶的中間處，與光腔的諧振波長(zhǎng)相同。反射鏡的反射率和高反射帶與DBR中材料的折射率差成正比。
絕緣材料的DBR反射鏡的優(yōu)點(diǎn)是不同介質(zhì)之間的折射率差較大，可以得到高的反射率，所需要的DBR反射鏡對(duì)數(shù)也就越少，并且有著很大的高反射帶寬度。例如采用5對(duì)ZnSe／CaF2構(gòu)成的DBR反射鏡可以得到99％的反射率。而AlZO3／AlAs構(gòu)成的DBR反射鏡更是只需要4對(duì)就足夠了，并且有著460 nm的高反射帶寬度。但其最大的缺點(diǎn)就是DBR反射鏡與有源層材料不同，無(wú)法用統(tǒng)一的工藝來(lái)完成，只能通過(guò)后續(xù)工藝集成在一起，制作過(guò)程非常復(fù)雜。
圖2 紅外波段F－P腔結(jié)構(gòu)VCSEL的計(jì)算反射率示意圖
為了解決這一問(wèn)題，人們?cè)O(shè)計(jì)出基于全半導(dǎo)體材料的DBR。反射鏡與光腔在外延生長(zhǎng)的過(guò)程中一起完成；簡(jiǎn)化了VCSEL的制作工藝，并且電流可以通過(guò)反射鏡注入到有源區(qū)內(nèi)。當(dāng)然，全半導(dǎo)體DBR的缺點(diǎn)就是其反射鏡的折射率差并不很高，因此需要多個(gè)DBR對(duì)才能得到高反射率。例如，850 nm的VCSEL，GaAs／A1As構(gòu)成的DBR需要20對(duì)才能得到99.86％的反射率。DBR層的組成材料必須有著足夠的折射率差，并且對(duì)激射光波長(zhǎng)透明。
VCSEL對(duì)應(yīng)不同的波長(zhǎng)，其DBR的構(gòu)成材料也不盡相同，出射光980 nm的采用GaAs／AlAs，650 nm的采用A10.5GaO．5As／A1As。對(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)的InGaAsP／InP系列來(lái)說(shuō)，折射率差非常小，因此需要將GaAs／A1As的DBR反射鏡組分別生長(zhǎng)，然后再與InGaAsP的有源區(qū)集成。
各種波段所對(duì)應(yīng)的材料（包括半導(dǎo)體材料和絕緣材料）如表所示。
表 不同波段VCSEL的反射鏡所對(duì)應(yīng)的材料
盡管構(gòu)成DBR反射鏡的材料折射率差越大，反射率也就越高，但這同時(shí)意味著大的能帶偏移。阻抗和價(jià)帶的不連續(xù)性將會(huì)阻礙載流子的傳輸，導(dǎo)致高的串聯(lián)電阻。為了克服這一問(wèn)題，DBR異質(zhì)界面處摻雜分布需要逐級(jí)變化。目前己經(jīng)有了很多相關(guān)報(bào)道，包括臺(tái)階型、線性、拋物線型的異質(zhì)界面摻雜分布。但是由于自由載流子的光吸收，還無(wú)法實(shí)現(xiàn)任意摻雜濃度的生長(zhǎng)。為了減少光吸收，整體式VCSEL中的摻雜分布經(jīng)過(guò)特制，以使光吸收可以在光場(chǎng)最大處最小。
