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VCSEL技术

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。

 

VCSEL是很有发展前景的新型光电器件,也是光通信中革命性的光发射器件。顾名思义,边发射激光器是沿平行于衬底表面、垂直于解理面的方向出射,而面发射激光器其出光方向垂直于衬底表面,如下图:

图片1.png

边发射激光器(a)与面发射激光器(b)示意图

 

它优于边发射激光器的表现在于:易于实现二维平面和光电集成;圆形光束易于实现与光纤的有效耦合;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;有源区尺寸极小,可实现高封装密度和低阈值电流;芯片生长后无须解理,封装后即可进行在片实验;在很宽的温度和电流范围内都以单纵模工作;价格低。

 

VCSEL的优异性能已引起广泛关注,成为国际上研究的热点。这十多年来,VCSEL在结构、材料、波长和应用领域都得到飞速发展,部分产品已进入市场。

 

VCSEL 基本结构

VCSEL 的结构示意图如下图所示。它是在由高、低折射率介质材料交替生长成的分布布喇格反射器(DBR)之间连续生长单个或多个量子阱有源区所构成。典型的量子阱数目为 3~5 个,它们被置于驻波场的最大处附近,以便获得最大的受激辐射效率而进入振荡场。在底部还镀有金属层以加强下面 DBR 的光反馈作用,激光束从顶部透明窗口输出。

图片2.png 

实际上,要完成低阈值电流工作,和一般的条型半导体激光器一样,必须使用很强的电流收敛结构,同时进行光约束和截流子约束。由上图可见, VCSEL 的半导体多层模反射镜 DBR 是由 GaAs/AlAs 构成的,经蚀刻使之成为 air-post(台面)结构。在高温水蒸汽中将 AlAs 层氧化,变为有绝缘性的 AlxOy 层,其折射率也大大降低,因而成为把光、载流子限制在垂直方向的结构。对 VCSEL 的设计集中在高反射率、低损耗的 DBR 和有源区在腔内的位置。

 

VCSEL激光器的特点

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。 

图片3.png 

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。 


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