垂直腔面發(fā)射激光器

1、垂直腔面發(fā)射激光器,Company Logo,目錄,Company Logo,垂直腔面發(fā)射激光器的定義,垂直腔面發(fā)射激光器 英文名稱(chēng)：vertical cavity surface emitting laser，簡(jiǎn)稱(chēng)VCSEL 它是一種從垂直于襯底面射出激光的半導(dǎo)體激光器 一般應(yīng)用于材料科學(xué)技術(shù)、半導(dǎo)體材料、半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料及器件,Company Logo,垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu),組成：該結(jié)構(gòu)由鏡面 、 有源層和金屬接觸層組成。2個(gè)發(fā)射鏡分別為 n 型和 p 型 DBR 堆的布喇格發(fā)射器。有源區(qū)由 13 個(gè)量子阱組成。有源區(qū)的兩側(cè)是限制層，一方面起限制載流子的作用，另一方面調(diào)節(jié)諧振腔的長(zhǎng)度，

2、使其諧振波長(zhǎng)正好是所需要的激光波長(zhǎng)。在襯底和 p 型 DBR 的外表面制作金屬接觸層，形成歐姆接觸，并在 p 型 DBR上制成一個(gè)圓形出光窗口，輸出圓形的激光束。,Company Logo,垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu),a）所示的激光器采用45傾斜反射鏡結(jié)構(gòu) ,其反射特性完全依賴(lài)于內(nèi)部反射鏡的傾角和平整度，工藝制作困難，且存在光束畸變問(wèn)題； b）采用高階耦合光柵結(jié)構(gòu)，盡管可以獲得發(fā)散角小的窄細(xì)光束，但其反射光的大部分進(jìn)入了襯底，使效率大幅降低 ,而且激光束的發(fā)散角度隨波長(zhǎng)變化而變化； c）為有源區(qū)直徑及腔長(zhǎng)僅為微米量級(jí)的 微腔結(jié)構(gòu)，容易實(shí)現(xiàn)低閾值 ( I t h)，具有較高的微分量子效率；所以 (

3、 c) 是垂直腔面發(fā)射激光器中最理想的結(jié)構(gòu)。,根據(jù)其有源層的不同，可分為三種結(jié)構(gòu)：45 鏡面型、光柵耦合型、垂直腔型。,Company Logo,垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu),其襯底的選擇有以下3種： 硅襯底：將 AlAs/GaAs DFB直接生長(zhǎng)在 Si 上，由于其界面不平整，使DFB的反射率較低，所以在硅（Si）上制作的VCSEL還不曾實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)波工作。 藍(lán)寶石襯底：美國(guó)南方加利福利亞大學(xué)的光子技術(shù)中心為使VCSEL發(fā)射的850nm波長(zhǎng)光穿過(guò)襯底，采用晶片鍵合工藝將VCSEL結(jié)構(gòu)從吸收光的 GaAs襯底移開(kāi)，轉(zhuǎn)移到透明的藍(lán)寶石襯底上，提高了wall-plug效率，最大值達(dá)到 25%。 砷化鉀

4、襯底：基于砷化鉀（GaAs）基材料系統(tǒng)的VCSEL 由于高的 Q 值而備受研究者青睞，目前VCSEL采用最多也是生長(zhǎng)在GaAs襯底上。,Company Logo,垂直腔面發(fā)射激光器的工作原理,VCSEL與其它激光器發(fā)光原理一樣，只要滿足以下兩個(gè)條件就可以實(shí)現(xiàn)激光激發(fā)。 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)過(guò)程：在有源區(qū)內(nèi)存在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使激光煤質(zhì)提供的增益足夠超過(guò)損耗的情況下，當(dāng)有電流注入時(shí)，光強(qiáng)將持續(xù)增加，處于高能態(tài)導(dǎo)帶底的電子躍遷到處于低能態(tài)價(jià)帶時(shí)，隨著特定波長(zhǎng)的光在有源區(qū)上下兩個(gè)反射鏡面來(lái)回反射，放大過(guò)程不斷重復(fù)，便形成了激光。 諧振腔：由兩個(gè)反射鏡和增益介質(zhì)組成的,是產(chǎn)生激光的主要條件之一。諧振腔在VCSEL中

5、的主要作用是給在有源區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光，在上下兩個(gè)布拉格反射鏡來(lái)回反射時(shí)，形成多次光能反饋提供的一個(gè)空腔，使受激轄射在其中得到多次反饋而形成激光振蕩。,Company Logo,制作過(guò)程,VCSEL的各個(gè)半導(dǎo)體層是采用分子束外延(MBE) 或金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積(MOCVD)方法在GaAs襯 底上外延生長(zhǎng)而形成的，大約需100多層，而每層的 厚度只有幾納米。在晶體生長(zhǎng)中每層的厚度必須得 到很好的控制，因?yàn)樗鼘?duì)激射波長(zhǎng)和最終的成品率 都有重要的影響；在外延過(guò)程中要確保整個(gè)外延層 的均勻性。目前國(guó)內(nèi)在外延生長(zhǎng)方面，尤其在生長(zhǎng) 高反射率的分布布喇格反射器(DBR)方面和國(guó)外還 有一定的差距。,Compan

6、y Logo,制作過(guò)程,VCSEL的橫向結(jié)構(gòu)通常用刻蝕法形成臺(tái)面結(jié)構(gòu)， 或用質(zhì)子注入法及特殊氧化法等。這些方法均有各 自的優(yōu)缺點(diǎn)?？涛g法可分為濕法化學(xué)刻蝕和干法刻 蝕兩種。近年來(lái)，為降低閾值電流和提高效率 ，優(yōu) 先選用氧化AlAs層的方法。這種方法是在420 的 高溫下，用氮?dú)鈹y帶 80 的水蒸氣對(duì)AlAs層中的 鋁進(jìn)行氧化，形成AlxOy絕緣層，對(duì)載流子進(jìn)一步 限制。,Company Logo,垂直腔面發(fā)射激光器的優(yōu)點(diǎn),與傳統(tǒng)的邊發(fā)射激光器相比 , 垂直腔面發(fā)射激光器具有諸多優(yōu)點(diǎn) : 1、具有較小的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角 , 發(fā)射光束窄且圓 ,易與光纖進(jìn)行耦合 ; 2、閾值電流低 ; 3、調(diào)制頻率高 ;

7、 4、在很寬的溫度和電流范圍內(nèi)均以單縱模工作 ; 5、不必解理 , 即可完成工藝制作和檢測(cè) , 成本低 ; 6 、易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模陣列及光電集成,Company Logo,應(yīng)用,VCSEL具有高密度 、高傳輸率 、高并行光輸出及方便地進(jìn)行二維空間組合的特點(diǎn)，成為理想的集成光電子有源器件和空間光學(xué)及光計(jì)算機(jī)并行處理的關(guān)鍵器件 。 VCSEL的高速響應(yīng)特別適于計(jì)算機(jī)中的芯片光互連和自由空間光互連。 VCSEL極易實(shí)現(xiàn)高密度的平面陣列集成，可用于圖像處理與模式識(shí)別，還可用于光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算技術(shù)和多值邏輯等新型電路 。 VCSEL的諧振腔非常小，因此可做成高速率的光開(kāi)關(guān)?？刂贫S列陣中各VCSEL的位相可以控制輸出