垂直腔面发射激光器.ppt

垂直腔面发射激光器 CompanyLogo 目录 CompanyLogo 垂直腔面发射激光器的定义 垂直腔面发射激光器英文名称 verticalcavitysurfaceemittinglaser 简称VCSEL它是一种从垂直于衬底面射出激光的半导体激光器一般应用于材料科学技术 半导体材料 半导体微结构材料及器件 CompanyLogo 垂直腔面发射激光器的结构 组成 该结构由镜面 有源层和金属接触层组成 2个发射镜分别为n型和p型DBR堆的布喇格发射器 有源区由1 3个量子阱组成 有源区的两侧是限制层 一方面起限制载流子的作用 另一方面调节谐振腔的长度 使其谐振波长正好是所需要的激光波长 在衬底和p型DBR的外表面制作金属接触层 形成欧姆接触 并在p型DBR上制成一个圆形出光窗口 输出圆形的激光束 CompanyLogo 垂直腔面发射激光器的结构 a 所示的激光器采用45 倾斜反射镜结构 其反射特性完全依赖于内部反射镜的倾角和平整度 工艺制作困难 且存在光束畸变问题 b 采用高阶耦合光栅结构 尽管可以获得发散角小的窄细光束 但其反射光的大部分进入了衬底 使效率大幅降低 而且激光束的发散角度随波长变化而变化 c 为有源区直径及腔长仅为微米量级的微腔结构 容易实现低阈值 Ith 具有较高的微分量子效率 所以 c 是垂直腔面发射激光器中最理想的结构 根据其有源层的不同 可分为三种结构 45 镜面型 光栅耦合型 垂直腔型 CompanyLogo 垂直腔面发射激光器的结构 其衬底的选择有以下3种 硅衬底 将AlAs GaAsDFB直接生长在Si上 由于其界面不平整 使DFB的反射率较低 所以在硅 Si 上制作的VCSEL还不曾实现室温连续波工作 蓝宝石衬底 美国南方加利福利亚大学的光子技术中心为使VCSEL发射的850nm波长光穿过衬底 采用晶片键合工艺将VCSEL结构从吸收光的GaAs衬底移开 转移到透明的蓝宝石衬底上 提高了wall plug效率 最大值达到25 砷化钾衬底 基于砷化钾 GaAs 基材料系统的VCSEL由于高的Q值而备受研究者青睐 目前VCSEL采用最多也是生长在GaAs衬底上 CompanyLogo 垂直腔面发射激光器的工作原理 VCSEL与其它激光器发光原理一样 只要满足以下两个条件就可以实现激光激发 粒子数反转过程 在有源区内存在粒子数反转 使激光煤质提供的增益足够超过损耗的情况下 当有电流注入时 光强将持续增加 处于高能态导带底的电子跃迁到处于低能态价带时 随着特定波长的光在有源区上下两个反射镜面来回反射 放大过程不断重复 便形成了激光 谐振腔 由两个反射镜和增益介质组成的 是产生激光的主要条件之一 谐振腔在VCSEL中的主要作用是给在有源区内产生的光 在上下两个布拉格反射镜来回反射时 形成多次光能反馈提供的一个空腔 使受激辖射在其中得到多次反馈而形成激光振荡 CompanyLogo 制作过程 VCSEL的各个半导体层是采用分子束外延 MBE 或金属有机化学汽相沉积 MOCVD 方法在GaAs衬底上外延生长而形成的 大约需100多层 而每层的厚度只有几纳米 在晶体生长中每层的厚度必须得到很好的控制 因为它对激射波长和最终的成品率都有重要的影响 在外延过程中要确保整个外延层的均匀性 目前国内在外延生长方面 尤其在生长高反射率的分布布喇格反射器 DBR 方面和国外还有一定的差距 CompanyLogo 制作过程 VCSEL的横向结构通常用刻蚀法形成台面结构 或用质子注入法及特殊氧化法等 这些方法均有各自的优缺点 刻蚀法可分为湿法化学刻蚀和干法刻蚀两种 近年来 为降低阈值电流和提高效率 优先选用氧化AlAs层的方法 这种方法是在420 的高温下 用氮气携带80 的水蒸气对AlAs层中的铝进行氧化 形成AlxOy绝缘层 对载流子进一步限制 CompanyLogo 垂直腔面发射激光器的优点 与传统的边发射激光器相比 垂直腔面发射激光器具有诸多优点 1 具有较小的远场发散角 发射光束窄且圆 易与光纤进行耦合 2 阈值电流低 3 调制频率高 4 在很宽的温度和电流范围内均以单纵模工作 5 不必解理 即可完成工艺制作和检测 成本低 6 易于实现大规模阵列及光电集成 CompanyLogo 应用 VCSEL具有高密度 高传输率 高并行光输出及方便地进行二维空间组合的特点 成为理想的集成光电子有源器件和空间光学及光计算机并行处理的关键器件 VCSEL的高速响应特别适于计算机中的芯片光互连和自由空间光互连 VCSEL极易实现高密度的平面阵列集成 可用于图像处理与模式识别 还可用于光神经网络计算技术和多值逻辑等新型电路 VCSEL的谐振腔非常小 因此可做成高速率的光开关 控制二维列阵中各VCSEL的位相可以控制输