vcsel激光器.doc

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雷射）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成，激光由边缘射出的边射型激光有所不同。1977年日本东京工学院的Iga教授首先提出了面发射半导体激光器的设想，并且在1978年应用物理学会的年会上发表了第一篇关于面发射激光器的论文。随着分子束外延(MBE)及金属有机物化学气相沉积(MOCVD)出现，1986年Iga教授的科研小组制备出了6mA的面发射激光器，并且在1987年应用MOCVD技术在GaAs衬底上研制出了第一只室温(RT)连续激射(CW)的VCSEL。从20世纪90年代初期开始，VCSEL的研究得到了飞速发展，取得了很多成果。 和国外相比，国内对VCSEL的研究尚处于起步阶段。上世纪90年代初，美国Bellcore公司的T.P.Lee博士回到祖国上海，携带的在光纤通信终端所使用的小巧玲珑的VCSEL组件引起了国内很多研究者的兴趣。目前国内中科院半导体所、长春光学精密机械与物理研究所、北京工业大学等单位都在进行VCSEL的研究工作，但主要集中在0.85m和0.98m波段。一、垂直腔面发射激光器（VCSEL）的结构VCSEL 主要由三部分组成 (见图1)，即激光工作物质、崩浦源和光学谐振腔。工作物质是发出激光的物质，但不是任何时刻都能发出激光，必须通过崩浦源对其进行激励，形成粒子数反转，发出激光，但这样得到的激光寿命很短，强度也不会太高，并且光波模式多，方向性很差。所以，还必须经过顶部反射镜(Top Mirror)和底部反射镜 ( Bottom Mirror)组成的谐振腔，在激光腔(Laser Cavity)内放大与振荡，并由顶部反射镜(Top Mirror)输出，而且输 出的光线只集中在中间不带有氧化层(Ox ide LayerS)的部分输 出。这样就形成了垂直腔面的激光发射，从而得到稳定持续、有一定功率的高质量激光。二、VCSEL激光器的特点 特点：由于VCSEL与边发射激光器有着不同的结构，这就决定了两者之间有不同的特点和性能，下表中列出了两种激光器的基本参数。 从表中我们可以看出，VCSEL有源区的体积小、腔短，这就决定了它容易实现单纵模、低阈值(亚毫安级)电流工作，但是为了得到足够高的增益，其腔镜的反射率必须达到99%。VCSEL具有较高的弛豫振荡频率，从而在高速数据传输以及光通信中，预计将有着广泛的应用。VCSEL出光方向与衬底表面垂直，可以实现很好的横向光场限制，进行整片测试，得到圆形光束，易与制作二维阵列，外延晶片可以在整个工艺完成前，节约了生产成本。VCSEL的优点主要有:l.出射光束为圆形，发散角小，很容易与光纤及其他光学元件耦合且效率高。2.可以实现高速调制，能够应用于长距离、高速率的光纤通信系统。3.有源区体积小，容易实现单纵模、低阈值的工作。4.电光转换效率可大于50%，可期待得到较长的器件寿命。5.容易实现二维阵列，应用于平行光学逻辑处理系统，实现高速、大容量数据处理，并可应用于高功率器件。6.器件在封装前就可以对芯片进行检测，进行产品筛选，极大降低了产品的成本。7.可以应用到层叠式光集成电路上，可采用微机械等技术。三、VCSEL激光器的发展前景在光打印方面，激光打印机中的多边镜等光扫描技术的电子化是多年未能解决的课题，随着技术的发展，已逐步得到改善。如果采用LED阵列，电能消耗是个瓶颈，而导入VCSEL阵列则可以解决这个问题。采用数千个VCSEL构成的阵列形式的多光束将可能成为取代多边镜扫描的最好方式。相比过去的单个激光管，VCSEL的阵列集成结构可以同时进行多行的扫描。这可以大大提高激光打印机的扫描速度并相应延长其使用寿命。在光显示方面，通常的显示器都是利用红、绿、蓝三元色发光管构成的，如果能够制成具有红、绿、蓝三元色的激光器，则可以应用在大型显示器的技术领域中。目前，波长范围从蓝色覆盖到紫外波段的GaN系列激光器正处在研究阶段。这个系列的VCSEL是解决未来图像显示的有力技术。在照明方面，VCSEL的电光转换效率达到50以上，远远高于目前的照明光源，如果它的波长能从紫外波段覆盖到可见光区，可以期待它在照明领域里面也能有着广泛的应用前景，实现白光照明。例如，可调节光线强度的室内照明，笔记本电脑的背景灯，交通指示灯以及户外照明灯等许多方面。四、总结从1960年人类首次制造出激光器并成功发射激光开始，人们认识到了激光重要特性和激光器的广泛应用前景。从此，激光器的研究受到世界各国科学家和科研爱好者的青睐。并且在短短的50年内研制出气体激光器、固体激光器、液体激光器、半导体激光器等。由于近年来信息技术的高速发展，人们对信息传输速率和可靠性的要求越来越高，于是光纤通信应运而生。而光纤通信系统的存在离不开半导体激光器的关键支撑，所以半导体激光器得到了充分的研究和发展。目前用于光纤通信和光信息处理的半导体激光器中应用最有前景的便是本文介绍的重点垂直腔面发射激光器(VCSEL)。VCSEL自问世以来，成为许多应用领域特别诱人的光源，如在光通信，光计算，光互联，激光打印及光存储等方面。VCSEL的主要优点是其低成