萊森光學(xué)（深圳）有限公司
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閱讀：567發(fā)布時間：2022-10-8
垂直腔面發(fā)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(dǎo)體，其激光垂直于頂面射出，與一般用切開的獨(dú)立芯片制成，激光由邊緣射出的邊射型激光有所不同。
VCSEL是很有發(fā)展前景的新型光電器件，也是光通信中革命性的光發(fā)射器件。顧名思義，邊發(fā)射激光器是沿平行于襯底表面、垂直于解理面的方向出射，而面發(fā)射激光器其出光方向垂直于襯底表面，如下圖：
邊發(fā)射激光器（a）與面發(fā)射激光器(b)示意圖
它優(yōu)于邊發(fā)射激光器的表現(xiàn)在于：易于實現(xiàn)二維平面和光電集成；圓形光束易于實現(xiàn)與光纖的有效耦合；可以實現(xiàn)高速調(diào)制，能夠應(yīng)用于長距離、高速率的光纖通信系統(tǒng)；有源區(qū)尺寸極小，可實現(xiàn)高封裝密度和低閾值電流；芯片生長后無須解理，封裝后即可進(jìn)行在片實驗；在很寬的溫度和電流范圍內(nèi)都以單縱模工作；價格低。
VCSEL的優(yōu)異性能已引起廣泛關(guān)注，成為國際上研究的熱點(diǎn)。這十多年來，VCSEL在結(jié)構(gòu)、材料、波長和應(yīng)用領(lǐng)域都得到飛速發(fā)展，部分產(chǎn)品已進(jìn)入市場。
VCSEL 基本結(jié)構(gòu)
VCSEL 的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。它是在由高、低折射率介質(zhì)材料交替生長成的分布布喇格反射器（DBR）之間連續(xù)生長單個或多個量子阱有源區(qū)所構(gòu)成。典型的量子阱數(shù)目為 3~5 個，它們被置于駐波場的處附近，以便獲得的受激輻射效率而進(jìn)入振蕩場。在底部還鍍有金屬層以加強(qiáng)下面 DBR 的光反饋作用，激光束從頂部透明窗口輸出。
實際上，要完成低閾值電流工作，和一般的條型半導(dǎo)體激光器一樣，必須使用很強(qiáng)的電流收斂結(jié)構(gòu)，同時進(jìn)行光約束和截流子約束。由上圖可見， VCSEL 的半導(dǎo)體多層模反射鏡 DBR 是由 GaAs/AlAs 構(gòu)成的，經(jīng)蝕刻使之成為 air-post（臺面）結(jié)構(gòu)。在高溫水蒸汽中將 AlAs 層氧化，變?yōu)橛薪^緣性的 AlxOy 層，其折射率也大大降低，因而成為把光、載流子限制在垂直方向的結(jié)構(gòu)。對 VCSEL 的設(shè)計集中在高反射率、低損耗的 DBR 和有源區(qū)在腔內(nèi)的位置。
VCSEL激光器的特點(diǎn)
由于VCSEL與邊發(fā)射激光器有著不同的結(jié)構(gòu)，這就決定了兩者之間有不同的特點(diǎn)和性能，下表中列出了兩種激光器的基本參數(shù)。
從表中我們可以看出，VCSEL有源區(qū)的體積小、腔短，這就決定了它容易實現(xiàn)單縱模、低閾值(亞毫安級)電流工作，但是為了得到足夠高的增益，其腔鏡的反射率必須達(dá)到99%。VCSEL具有較高的弛豫振蕩頻率，從而在高速數(shù)據(jù)傳輸以及光通信中，預(yù)計將有著廣泛的應(yīng)用。VCSEL出光方向與襯底表面垂直，可以實現(xiàn)很好的橫向光場限制，進(jìn)行整片測試，得到圓形光束，易與制作二維陣列，外延晶片可以在整個工藝完成前，節(jié)約了生產(chǎn)成本。
VCSEL的優(yōu)點(diǎn)主要有:
l.出射光束為圓形，發(fā)散角小，很容易與光纖及其他光學(xué)元件耦合且效率高。
2.可以實現(xiàn)高速調(diào)制，能夠應(yīng)用于長距離、高速率的光纖通信系統(tǒng)。
3.有源區(qū)體積小，容易實現(xiàn)單縱模、低閾值的工作。
4.電光轉(zhuǎn)換效率可大于50%，可期待得到較長的器件壽命。 5.容易實現(xiàn)二維陣列，應(yīng)用于平行光學(xué)邏輯處理系統(tǒng)，實現(xiàn)高速、大容量數(shù)據(jù)處理，并可應(yīng)用于高功率器件。
6.器件在封裝前就可以對芯片進(jìn)行檢測，進(jìn)行產(chǎn)品篩選，極大降低了產(chǎn)品的成本。
7.可以應(yīng)用到層疊式光集成電路上，可采用微機(jī)械等技術(shù)。
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