垂直腔面發射激光器

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垂直腔面發射激光器Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,簡稱VCSEL,又譯垂直共振腔面射型雷射)是一種半導體,其雷射垂直於頂面射出,與一般用切開的獨立晶元製成,雷射由邊緣射出的邊射型雷射有所不同。

在製作的過程中,VCSEL比邊射型雷射多了許多優點。邊射型雷射無法在製作完成後進行測試。若一個邊射型雷射無法運作,不論是因為接觸不良或者是物質成長的品質不好,都會浪費製作過程與物質加工的處理時間。然而VCSEL可以在製造的任何過程中,測試其品質並且作問題處理。舉例來說,如果各介電質端間路徑並不完整乾淨地連接,在封裝前測試時,頂層金屬層就因不跟測試金屬層有接觸,而使測試結果出現錯誤。此外,因為VCSEL的雷射是垂直於反應區射出,與邊射型雷射平行於反應區射出相反,所以可以同時有數萬個VCSEL在 一個三英吋大的砷鎵晶元上被處理。此外,既使VCSEL在製造的過程需要較多的勞動與較精細的材料,更多可預期的生產結果是可被控制的。

結構[编辑]

一個雷射諧振器是由兩面散式布拉格反射鏡 (DBR)平行於一個晶元反應區的表面,此反應區是由一到數個量子井所構成,使雷射光帶存在於其中。一個平面的DBR是由幾層不同高低折射率的透鏡所組成。每層透鏡的厚度為四分之一的雷射波長,並給予超過99%的反射強度。為了平衡在VCSEL中增益區域的短軸長,高反射率的透鏡是必要的。

在一般的VCSEL中,較高和較低的兩個透鏡分別鍍上了p型材料和n型材料,形成一個接面二極體。在較為複雜的結構中,p型和n型區域可能會埋在透鏡中,使較複雜的半導體在反應區上加工做電路的連接,並除去在DBR結構中電子能量的耗損。

VCSEL的實驗室使用新的材料系統做研究,反應區可能會因短波長的外光源(通常是其他雷射)而被幫浦。這使得VCSEL可以在不考慮達到良好的電路品質的額外問題下被論證;然而這樣的裝置對大多數的應用不是實際的。

波長從650nm到1300nm的典型VCSEL是以砷化鎵 ] ( GaAs )和[ [鋁鎵砷化物] ](AlxGa(1-x)As)構成的DBR所組成的鎵砷晶元為基底。GaAs/AlGaAs系統由於材料的晶格常數在組成有變動時,不會有非常強烈的改變,且允許多個晶格配對復生層成長於砷化鎵的底層,所以非常適合用來製造VCSEL。然而,當Al分子增加時,鋁鎵砷化物的折射率就會變強,與其他系統比較起來,要組成一個有效的布拉格鏡,所用的層數就會達到最少。

此外,在鋁較集中的部份,一種氧化物會形成AlGaAs,而這種氧化物可以被用來限制VCSEL中的電流,達到低閘值電流的目的。

近來有兩種主要的方法來限制VCSEL中的電流,依照其特性分成兩種:離子內嵌VCSEL和氧化型VCSEL。

在90年代前期,電子通訊公司較傾向於使用離子內嵌VCSEL。通常使用氫離子H+植入VCSEL結構中,除了共振腔以外的任何地方,用以破壞共振腔周圍的晶格結構,使電流被限制。90年代中期,這些公司們紛紛進而使用氧化型VCSEL的技術。氧化型VCSEL是利用VCSEL共振腔周圍材料的氧化反應來限制電流,而在VCSEL結構內部含鋁較多的金屬層會被氧化。氧化型雷射也常使用離子內嵌的技術。因此在氧化型VCSEL中,電流的路徑就會被離子內嵌共振腔與氧化共振腔所限制。

由於氧化層的張力與其他的缺陷,始得共振腔出現“popping off”,因此最初使用氧化型VCSEL時遭遇到了許多困難。然而,經過了多次的測試,證明了VCSEL的realibilty是很完整的。在Hewlett Packard的氧化型VCSEL研究中指出,“壓力會造成氧化型VCSEL的活化能與wearout生命週期相似於內嵌式VCSEL所發出的輸出能量大小。” [1]

當工業界要從研究和開發轉至氧化型VCSEL的生產模式時,也產生了生產上的困難。氧化層的氧化率與鋁的含量有非常大的關係。只要鋁的含量有些微的變化,就會改變其氧化率而導致共振腔的規格會過大或過小於標準規格。

波長從1300nm至2000nm的長波長裝置,至少已經證實其活化區是由磷化銦所構成。有更長波長的VCSEL是有實驗根據的且通常為光學幫浦。1310nm的VCSEL在矽基光纖的最小波長限度中是較為理想的。

特殊型態[编辑]

  • 多重反應區域設計(aka bipolar cascade VCSELs)。允許回饋時不同效能量值之間的差異超過100%。
  • 通道相接VCSEL:利用通道相接(n+p+),一個對電子有利的n-n+p+-p-i-n結構就可以被建立,且可以影響其他結構的分子。(e.g. in the form of a Buried Tunnel Junction (BTJ)).
  • 可利用機械式(MEMS)調整鏡面來廣泛的調整VCSEL。
  • "晶元接合"或"晶元融合"VCSEL:利用兩種不同的半導體材料可以製造出不同性質的底層。
  • Monolithically光學幫浦VCSEL:兩個相疊合的VCSEL,其中一個利用光學來對另一個作幫浦。
  • 縱向的VCSEL整合監測二極體:一個光二極體與VCSEL的背面鏡子做整合。
  • 橫向的VCSEL整合監測二極體:利用適當的VCSEL晶元石刻法,一個發光二極體就可以被製造用來測量鄰近VCSEL的發光強度。
  • 具有外部共振腔的VCSEL,參照VECSEL或是盤雷射半導體disk laser。VECSEL是傳統雷射二極體的光學幫浦。這樣的設置使裝置有更廣泛的區域可被幫浦,也因此有更多的能量可被吸收,大約30W左右。外部共振腔也允許了intracavity技術,如頻率倍增、單頻操作和femtosecond pulse modelocking。
  • 垂直共振腔半導體光學擴大器VCSOA([2])。與震盪器不同,這個裝置使擴大器更優化。因為VOSOA必須在限制下工作,故會要求減少鏡子的反射以達到減少回饋的作用。為了使訊號增至最大,這些裝置會包含大量的量子井(光學幫浦裝置已被證實有21-28個量子井),導致訊號的增加量值比典型的VCSEL來的大(約5%左右)。這裝置的運作於窄線寬的擴大器(約十幾個GHz),且可能可以有增強濾光器的效果。

特性[编辑]

因為VCSEL是從積體電路的頂面發出雷射光,所以它們被分割成單獨的個體以前,可以直接在晶元上測試。這可以節省半導體製作過程中裝置的花費及使用。這也允許VCSEL的製作不再只是一維,而可以是二維的排列

較大的VCSEL輸出孔徑,與大多數邊射型雷射比較,產生輸出光束的一個較低的發散角,並且使光纖的連線效率更高。

與大多數的邊射型雷射比較,一個高反射率的鏡子減少了VCSEL的閘值電流,造成低功率的消耗。然而至今,VESEL所發射的能量較邊射型雷射少。較低的閘值電流也允許VCSEL存有高本質的調整帶寬。

VCSEL的波長在反應區的獲得帶中,可以藉由調節反射層的厚度而改變。

早期VCSEL的放射光為縱向多模或細絲模式,而現今VCSEL多為單模。

應用[编辑]

歷史[编辑]

第一個VCSEL是在1979年由Soda, Iga, Kitahara and Suematsu (Soda 1979)所發表,但是直到1988年以前,室溫下的等幅波控制未曾被報告。VCSEL這名詞是在1987年時,被杜撰於美國光學協會(Optical Society of America)出版物上。如今VCSEL以取代邊射型雷射而應用在短程的光纖通訊上,如乙太網路和纖維通道(Fibre Channel)。

參考文獻[编辑]

  • Iga, Kenichi, Surface-emitting laser—Its birth and generation of new optoelectronics field, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2000, 6 (6): 1201–1215 
  • Soda et al, Haruhisa, GaInAsP/InP Surface Emitting Injection Lasers, Japanese Journal of Applied Physics, 1979, 18 (12): 2329–2330 . doi:10.1143/JJAP.18.2329
  • Koyama et al, Fumio, Room temperature cw operation of GaAs vertical cavity surface emitting laser, Trans. IEICE, E71(11), 1988: 1089-1090 

外部連結[编辑]