垂直腔面发射激光器课件

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• 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。
垂直腔面发射激光器
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目录
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定义
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结构与工作原理
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制作工艺
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优点
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应用
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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：vertical cavity surface emitting laser，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
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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
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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。
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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的位相可以控制输出光的相干性。通过对各个 VCSEL激射光的 锁模效应，可以获得方向性很强的大功率激光输出。 • VCSEL还是各种固体激光器的理想泵浦光源，它适宜与光纤实现高效率 耦合，满足高密度光盘的读写光源的要求。
• 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。
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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。
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垂直腔面发射激光器的结构
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。
• 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；
构材料及器件
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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。
• 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 ( I t h)，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。
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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/GaAs DFB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。
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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。