vcsel vertical cavity surface-emitting laser

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 – Scuola Politecnica - DEIM

A.A. 2015-16A.A. 2015-16

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

- Applications: local area networks, 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

Struttura di una cavità VCSEL planareStruttura di una cavità VCSEL planare

/2n

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

tipically /n

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

standing wave enhancement factor

= 1 in edge-emitting laser

z is subject to an enhancement dependent on the position of the active region into the cavity

’

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

enh = 2EZ

z

= 0 actactQWsactQWsact

ll

dzl

dzE

E

l

222

12

0

2

0

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

The semiconductor material becomes “transparent” (material transparency) when the rate of absorption just equals the rate of stimulated emission.

One incident photon produces exactly one photon in the output

The transparency current density is defined as the minimal current densityfor which the material becomes transparent for any photon energy largerthan or equal to Eg,qw

gain parameter per quantum-wellsnumber of quantum-wells

transparency current

’

The gain upon transparency is g = 0 (Jth = Jtr , for NQW = 1)

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)

R

g th1

ln

a large number of QWs decreasesgth, since lact increases

very high R with a single QW we havethe lowest Jth becauseit requires the smallest currentdensity to be pumped to thetransparency

lower R gth is higher and it is still higherfor only one QWJth will be lower with 3 QWsthan one

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)

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 DBR

and 0 for longwavelength VCSEL

Effetto interfacce gradualiEffetto interfacce graduali

- Interfaces not abrupt!

- The material composition islinearly graded over a distanceof some tens of nm in orded toreduce the electrical resistanceacross the interface

Resistenza degli specchiResistenza degli specchi

heating

Resistenza degli specchiResistenza degli specchi

doping

fabricationtechnology

simpler

barrier for holes(high R)p-doped

Specchi gradualiSpecchi graduali

valenceband

Efficienza differenzialeEfficienza differenziale

fattore di normalizzazione1.

2.

mirror losses

total losses

3.

MECHANISMS THAT REDUCE d :

Efficienza differenzialeEfficienza differenziale

depends on cavity design

depends on mirror design

Wall-plug efficiencyWall-plug efficiency

top mirror: 19 periods

thermal roll-over

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