VCSEL 垂直腔面发射激光器

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受激辐射机制
‌垂直腔面发射激光器（VCSEL）是一种半导体激光器，其工作原理基于受激辐射机制。‌‌

基本结构和工作原理
VCSEL的核心结构由多层半导体材料构成，主要包括：

• ‌有源层（Active Region）‌：通常由量子阱（Quantum Well）组成，负责产生光子。当载流子（电子和空穴）在此复合时，发生受激辐射，释放出光子。
• ‌谐振腔（Resonant Cavity）‌：VCSEL的光学谐振腔是在垂直于半导体层的方向上形成，通常由上下两层‌布拉格反射镜（Distributed Bragg Reflectors, DBR）‌组成。布拉格反射镜由不同折射率的半导体材料交替堆叠而成，能够在特定波长处产生高反射率，形成光的反射和谐振。
• ‌反射镜（Mirrors）‌：上下两层DBR反射镜具有不同的反射率，底部反射镜的反射率接近100%，而顶部反射镜的反射率略低（通常在90-99%），允许部分光透过以实现激光输出。
• ‌电极（Electrodes）‌：用于施加电流，注入到有源层中，通过载流子复合产生光子。
  

工作过程
VCSEL的工作过程主要包括以下几个步骤：

• ‌电流注入‌：通过施加电流，电子从N型区注入有源层，空穴从P型区注入有源层。在有源层中，电子与空穴复合，产生光子。
• ‌光反馈与谐振‌：产生的光子在上下布拉格反射镜之间的谐振腔中来回反射，逐渐在特定波长处发生受激辐射，从而增大光子数量。这些光子的相位、频率和方向几乎完全相同，形成相干光。
• ‌激光输出‌：当光子数量足够多时，部分光子通过顶部反射镜透射出来，形成垂直于芯片表面的激光输出。
  

应用领域
VCSEL由于其高效、低功耗、易于集成的特点，广泛应用于光通信、传感和3D成像等领域。其独特的垂直发射特性使得在光纤通信、数据中心、3D传感及激光打印等多领域展现出卓越的性能。

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活性区域
‌有源层‌，又称为活性区域，是半导体器件中的一个关键组成部分。它通常由掺杂不同的材料构成，其中掺杂浓度较高的区域称为n型区或p型区，用于提供电荷载流子；而掺杂浓度较低的区域称为i型区，用于限制电荷载流子的扩散。有源层的作用是将电子或空穴激发至高能态，进而实现电流的控制和放大。‌
有源层的定义和作用
有源层在半导体器件中起着至关重要的作用。它能够将电子或空穴激发至高能态，从而实现电流的控制和放大。在二极管中，有源层属于p-n结，用于控制电流的方向；在晶体管中，有源层则是一个控制电流放大的器件。

有源层的材料和结构
有源层的材料通常是通过掺杂不同的半导体材料形成的。掺杂浓度较高的区域称为n型区或p型区，而掺杂浓度较低的区域称为i型区。有源层的厚度通常在0.1到0.2微米左右，例如在半导体发光二极管（LED）中，有源层是其发光区域。

有源层的应用领域
有源层在电子领域得到了广泛应用，最常见的应用是晶体管，它是现代电子技术的基础设施之一，广泛应用于计算机、电视、电子游戏等领域。此外，有源层还可以应用于太阳能电池板和LED灯等领域。

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‌光学谐振腔（optical resonant cavity）‌是光波在其中来回反射从而提供光能反馈的空腔，是激光器的必要组成部分。它通常由两块与激活介质轴线垂直的平面或凹球面反射镜构成‌。

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光学谐振腔的作用

• ‌提供正反馈‌：在腔内共振频率处建立高的场强，维持自激振荡‌。
• ‌频率滤波‌：有效地控制腔内实际振荡的模式数目，使大量光子集结在少数几个状态中，提高光子简并度，获得单色性好的相干光‌。
• ‌控制光束空间特性‌：调节腔的几何参数可以直接控制激光束的横向分布特性、光斑尺寸、谐振频率和光束发散角等‌。
  

光学谐振腔的类型和设计
光学谐振腔可以分为不同类型的结构，包括平面镜谐振腔和球面镜谐振腔。平面镜谐振腔由两块平面反射镜组成，而球面镜谐振腔则使用球面反射镜。这些不同类型的谐振腔在设计和应用上有所不同，但都旨在提供稳定的光学反馈和精确的光束控制‌。