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：vertical cavity surface emitting laser，簡稱VCSEL 它是一種從垂直于襯底面射出激光的半導體激光器 一般應用于材料科學技術(shù)、半導體材料、半導體微結(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)諧振腔的長度，

2、使其諧振波長正好是所需要的激光波長。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)散角小的窄細光束，但其反射光的大部分進入了襯底，使效率大幅降低 ,而且激光束的發(fā)散角度隨波長變化而變化； c）為有源區(qū)直徑及腔長僅為微米量級的 微腔結(jié)構(gòu)，容易實現(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還不曾實現(xiàn)室溫連續(xù)波工作。 藍寶石襯底：美國南方加利福利亞大學的光子技術(shù)中心為使VCSEL發(fā)射的850nm波長光穿過襯底，采用晶片鍵合工藝將VCSEL結(jié)構(gòu)從吸收光的 GaAs襯底移開，轉(zhuǎn)移到透明的藍寶石襯底上，提高了wall-plug效率，最大值達到 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，只要滿足以下兩個條件就可以實現(xiàn)激光激發(fā)。 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)過程：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損耗的情況下，當有電流注入時，光強將持續(xù)增加，處于高能態(tài)導帶底的電子躍遷到處于低能態(tài)價帶時，隨著特定波長的光在有源區(qū)上下兩個反射鏡面來回反射，放大過程不斷重復，便形成了激光。 諧振腔：由兩個反射鏡和增益介質(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，在上下兩個布拉格反射鏡來回反射時，形成多次光能反饋提供的一個空腔，使受激轄射在其中得到多次反饋而形成激光振蕩。,Company Logo,制作過程,VCSEL的各個半導體層是采用分子束外延(MBE) 或金屬有機化學汽相沉積(MOCVD)方法在GaAs襯 底上外延生長而形成的，大約需100多層，而每層的 厚度只有幾納米。在晶體生長中每層的厚度必須得 到很好的控制，因為它對激射波長和最終的成品率 都有重要的影響；在外延過程中要確保整個外延層 的均勻性。目前國內(nèi)在外延生長方面，尤其在生長 高反射率的分布布喇格反射器(DBR)方面和國外還 有一定的差距。,Compan

6、y Logo,制作過程,VCSEL的橫向結(jié)構(gòu)通常用刻蝕法形成臺面結(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?？涛g法可分為濕法化學刻蝕和干法刻 蝕兩種。近年來，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，用氮氣攜帶 80 的水蒸氣對AlAs層中的 鋁進行氧化，形成AlxOy絕緣層，對載流子進一步 限制。,Company Logo,垂直腔面發(fā)射激光器的優(yōu)點,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 : 1、具有較小的遠場發(fā)散角 , 發(fā)射光束窄且圓 ,易與光纖進行耦合 ; 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 , 成本低 ; 6 、易于實現(xiàn)大規(guī)模陣列及光電集成,Company Logo,應用,VCSEL具有高密度 、高傳輸率 、高并行光輸出及方便地進行二維空間組合的特點，成為理想的集成光電子有源器件和空間光學及光計算機并行處理的關(guān)鍵器件 。 VCSEL的高速響應特別適于計算機中的芯片光互連和自由空間光互連。 VCSEL極易實現(xiàn)高密度的平面陣列集成，可用于圖像處理與模式識別，還可用于光神經(jīng)網(wǎng)絡計算技術(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關(guān)。控制二維列陣中各VCSEL的位相可以控制輸出