垂直腔面射型激光器

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垂直腔面发射激光器Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,简称VCSEL,又译垂直共振腔面射型激光)是一种半导体,其激光垂直于顶面射出,与一般用切开的独立芯片制程,激光由边缘射出的边射型激光有所不同。

在制作的过程中,VCSEL比边射型激光多了许多优点。边射型激光需要在制作完成后才可进行测试。若一个边射型激光无法运作,不论是因为接触不良或者是物质成长的品质不好,都会浪费制作过程与物质加工的处理时间。然而VCSEL可以在制造的任何过程中,测试其品质并且作问题处理,因为VCSEL的激光是垂直于反应区射出,与边射型激光平行于反应区射出相反,所以可以同时有数万个VCSEL在砷镓芯片上被处理。此外,既使VCSEL在制造的过程需要较多的劳动与较精细的材料,生产结果是可被控制的及更多可被预期的。

结构[编辑]

一个激光谐振器是由两面分散式布拉格反射器 (DBR)平行于一个芯片主动反应区表面英语active laser medium,此反应区是由一到数个量子井所构成,使激光光带存在于其中。一个平面的DBR是由几层不同高低折射率的透镜所组成。每层透镜的厚度为四分之一的激光波长,并给予超过99%的反射强度。为了平衡在VCSEL中增益区域的短轴长,高反射率的透镜是必要的。

在一般的VCSEL中,较高和较低的两个透镜分别镀上了p型材料和n型材料,形成一个接面二极管。在较为复杂的结构中,p型和n型区域可能会埋在透镜中,使较复杂的半导体在反应区上加工做电路的连接,并除去在DBR结构中电子能量的耗损。

VCSEL的实验室使用新的材料系统做研究,反应区可能会因短波长的外光源(通常是其他激光)而被泵。这使得VCSEL可以在不考虑达到良好的电路品质的额外问题下被论证;然而这样的装置对大多数的应用不是实际的。

波长从650nm到1300nm的典型VCSEL是以砷化镓(GaAs)和铝镓砷化物(AlxGa(1-x)As)构成的DBR所组成的镓砷芯片为基底。GaAs/AlGaAs系统由于材料的晶格常数在组成有变动时,不会有非常强烈的改变,且允许多个晶格配对复生层成长于砷化镓的底层,所以非常适合用来制造VCSEL。然而,当Al分子增加时,铝镓砷化物的折射率就会变强,与其他系统比较起来,要组成一个有效的布拉格镜,所用的层数就会达到最少。

此外,在铝较集中的部分,一种氧化物会形成AlGaAs,而这种氧化物可以被用来限制VCSEL中的电流,达到低闸值电流的目的。

近来有两种主要的方法来限制VCSEL中的电流,依照其特性分成两种:离子内嵌VCSEL和氧化型VCSEL。

在90年代前期,电子通讯公司较倾向于使用离子内嵌VCSEL。通常使用氢离子H+植入VCSEL结构中,除了共振腔以外的任何地方,用以破坏共振腔周围的晶格结构,使电流被限制。90年代中期,这些公司们纷纷进而使用氧化型VCSEL的技术。氧化型VCSEL是利用VCSEL共振腔周围材料的氧化反应来限制电流,而在VCSEL结构内部含铝较多的金属层会被氧化。氧化型激光也常使用离子内嵌的技术。因此在氧化型VCSEL中,电流的路径就会被离子内嵌共振腔与氧化共振腔所限制。

由于氧化层的张力与其他的缺陷,始得共振腔出现“popping off”,因此最初使用氧化型VCSEL时遭遇到了许多困难。然而,经过了多次的测试,证明了VCSEL的realibilty是很完整的。在Hewlett Packard的氧化型VCSEL研究中指出,“压力会造成氧化型VCSEL的活化能与wearout生命周期相似于内嵌式VCSEL所发出的输出能量大小。” [1]

当工业界要从研究和开发转至氧化型VCSEL的生产模式时,也产生了生产上的困难。氧化层的氧化率与铝的含量有非常大的关系。只要铝的含量有些微的变化,就会改变其氧化率而导致共振腔的规格会过大或过小于标准规格。

波长从1300nm至2000nm的长波长装置,至少已经证实其活化区是由磷化铟所构成。有更长波长的VCSEL是有实验根据的且通常为光学泵。1310nm的VCSEL在硅基光纤的最小波长限度中是较为理想的。

特殊型态[编辑]

  • 多重反应区域设计(aka bipolar cascade VCSELs)。允许回馈时不同效能量值之间的差异超过100%。
  • 通道相接VCSEL:利用通道相接(n+p+),一个对电子有利的n-n+p+-p-i-n结构就可以被建立,且可以影响其他结构的分子。(e.g. in the form of a Buried Tunnel Junction (BTJ)).
  • 可利用机械式(MEMS)调整镜面来广泛的调整VCSEL。
  • "芯片接合"或"芯片融合"VCSEL:利用两种不同的半导体材料可以制造出不同性质的底层。
  • Monolithically光学泵VCSEL:两个相叠合的VCSEL,其中一个利用光学来对另一个作泵。
  • 纵向的VCSEL整合监测二极管:一个光二极管与VCSEL的背面镜子做整合。
  • 横向的VCSEL整合监测二极管:利用适当的VCSEL芯片石刻法,一个发光二极管就可以被制造用来测量邻近VCSEL的发光强度。
  • 具有外部共振腔的VCSEL,参照VECSEL或是盘激光半导体disk laser。VECSEL是传统激光二极管的光学泵。这样的设置使装置有更广泛的区域可被泵,也因此有更多的能量可被吸收,大约30W左右。外部共振腔也允许了intracavity技术,如频率倍增、单频操作和femtosecond pulse modelocking。
  • 垂直共振腔半导体光学扩大器VCSOA([2])。与震荡器不同,这个装置使扩大器更优化。因为VOSOA必须在限制下工作,故会要求减少镜子的反射以达到减少回馈的作用。为了使讯号增至最大,这些装置会包含大量的量子井(光学泵装置已被证实有21-28个量子井),导致讯号的增加量值比典型的VCSEL来的大(约5%左右)。这装置的运作于窄线宽的扩大器(约十几个GHz),且可能可以有增强滤光器的效果。

特性[编辑]

因为VCSEL是从集成电路的顶面发出激光光,所以它们被分割成单独的个体以前,可以直接在芯片上测试。这可以节省半导体制作过程中装置的花费及使用。这也允许VCSEL的制作不再只是一维,而可以是二维的排列

较大的VCSEL输出孔径,与大多数边射型激光比较,产生输出光束的一个较低的发散角,并且使光纤的连线效率更高。

与大多数的边射型激光比较,一个高反射率的镜子减少了VCSEL的闸值电流,造成低功率的消耗。然而至今,VCSEL所发射的能量较边射型激光少。较低的闸值电流也允许VCSEL存有高本质的调整带宽。

VCSEL的波长在反应区的获得带中,可以借由调节反射层的厚度而改变。

应用[编辑]

历史[编辑]

第一个VCSEL是在1979年由Soda, Iga, Kitahara and Suematsu (Soda 1979)所发表,但是直到1988年以前,室温下的等幅波控制未曾被报告。VCSEL这名词是在1987年时,被杜撰于美国光学协会(Optical Society of America)出版物上。如今VCSEL以取代边射型激光而应用在短程的光纤通讯上,如以太网路和纤维通道(Fibre Channel)。

参考文献[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, Haruhisa; 等, GaInAsP/InP Surface Emitting Injection Lasers, Japanese Journal of Applied Physics, 1979, 18 (12): 2329–2330 . doi:10.1143/JJAP.18.2329
  • Koyama, Fumio; 等, Room temperature cw operation of GaAs vertical cavity surface emitting laser, Trans. IEICE, E71(11), 1988: 1089-1090 

外部链接[编辑]