Лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором - Vertical-cavity surface-emitting laser

Схема простой структуры VCSEL.

Вертикально-излучающие лазеры или ВИЛ / v ɪ к s əl / , представляет собой тип полупроводникового лазерного диода с лазерным перпендикуляром излучения луча от верхней поверхности, в отличие от обычных торцевого излучения полупроводниковых лазеров (также в плоскости лазеры), которые излучают с поверхностей, образованных путем выколотки отдельного чипа из пластины . VCSEL используются в различных лазерных продуктах, включая компьютерные мыши , волоконно-оптическую связь , лазерные принтеры , Face ID и смарт-очки .

Преимущества производства

Производство лазеров VCSEL имеет несколько преимуществ по сравнению с производством лазеров с торцевым излучением. Краевые излучатели нельзя тестировать до конца производственного процесса. Если кромочный излучатель не работает должным образом, будь то из-за плохих контактов или плохого качества роста материала, время производства и обрабатываемые материалы были потрачены впустую. Однако VCSEL можно тестировать на нескольких этапах в течение всего процесса, чтобы проверить качество материала и проблемы с обработкой. Например, если переходные отверстия , электрические соединения между слоями схемы, не были полностью очищены от диэлектрического материала во время травления, промежуточный процесс тестирования отметит, что верхний металлический слой не контактирует с исходным металлическим слоем. Кроме того, поскольку лазеры VCSEL излучают луч перпендикулярно активной области лазера, а не параллельный, как у краевого излучателя, десятки тысяч лазеров VCSEL могут обрабатываться одновременно на трехдюймовой пластине из арсенида галлия . Более того, даже несмотря на то, что процесс производства VCSEL является более трудоемким и материалоемким, выход можно контролировать для достижения более предсказуемого результата.

Состав

Реалистичная структура устройства VCSEL. Это VCSEL с несколькими квантовыми ямами с нижним излучением .

Лазерный резонатор состоит из двух зеркал с распределенным брэгговским отражателем (DBR), параллельных поверхности пластины, с активной областью, состоящей из одной или нескольких квантовых ям для генерации лазерного света между ними. Планарные РБО-зеркала состоят из слоев с чередующимися высокими и низкими показателями преломления. Каждый слой имеет толщину в четверть длины волны лазера в материале, что обеспечивает коэффициент отражения по интенсивности выше 99%. Зеркала с высокой отражательной способностью требуются в VCSEL, чтобы уравновесить короткую осевую длину области усиления.

В обычных лазерах VCSEL верхнее и нижнее зеркала легированы материалами p-типа и n-типа , образуя диодный переход. В более сложных структурах области p-типа и n-типа могут быть встроены между зеркалами, что требует более сложного полупроводникового процесса для создания электрического контакта с активной областью, но устраняет потери электрической мощности в структуре DBR.

При лабораторных исследованиях VCSEL с использованием новых систем материалов активная область может накачиваться внешним источником света с более короткой длиной волны , обычно другим лазером. Это позволяет продемонстрировать VCSEL без дополнительных проблем, связанных с достижением хороших электрических характеристик; однако такие устройства не подходят для большинства приложений.

VCSEL для длин волн от 650 до 1300 нм обычно основаны на пластинах арсенида галлия (GaAs) с РБО, образованными из GaAs и арсенида алюминия-галлия (Al x Ga (1- x ) As). Система GaAs – AlGaAs предпочтительна для создания VCSEL, поскольку постоянная решетки материала не сильно меняется при изменении состава, что позволяет выращивать несколько эпитаксиальных слоев с согласованной решеткой на подложке из GaAs. Однако показатель преломления AlGaAs относительно сильно изменяется при увеличении доли Al, сводя к минимуму количество слоев, необходимых для формирования эффективного брэгговского зеркала по сравнению с другими системами материалов-кандидатов. Кроме того, при высоких концентрациях алюминия из AlGaAs может образовываться оксид, и этот оксид можно использовать для ограничения тока в VCSEL, обеспечивая очень низкие пороговые токи.

Основные методы ограничения тока в VCSEL характеризуются двумя типами: VCSEL с ионной имплантацией и оксидные VCSEL.

В начале 1990-х годов телекоммуникационные компании были склонны отдавать предпочтение VCSEL с ионной имплантацией. Ионы (часто ионы водорода, H +) были имплантированы в структуру VCSEL везде, кроме апертуры VCSEL, разрушая структуру решетки вокруг апертуры, тем самым подавляя ток. В середине-конце 1990-х годов компании перешли на технологию оксидных лазеров VCSEL. Ток удерживается в оксидном лазере VCSEL за счет окисления материала вокруг апертуры лазера VCSEL. Слой алюминия с высоким содержанием, который выращивается внутри структуры VCSEL, является слоем, который окисляется. В оксидных лазерах VCSEL также часто используется стадия изготовления ионных имплантатов. В результате в оксиде VCSEL путь тока ограничен ионным имплантатом и диафрагмой в оксиде.

Первоначальный прием оксидных лазеров VCSEL был затруднен из-за беспокойства по поводу «выскакивания» отверстий из-за деформации и дефектов оксидного слоя. Однако после длительных испытаний надежность конструкции оказалась высокой. Как указано в одном из исследований оксидных лазеров VCSEL, проведенного Hewlett Packard: «Результаты напряжений показывают, что энергия активации и время износа оксидных лазеров VCSEL аналогичны энергии активации и сроку службы имплантата VCSEL, излучающего такое же количество выходной мощности». Промышленность также беспокоила производственная озабоченность при переводе оксидных лазеров VCSEL из режима исследований и разработок в режим производства. Скорость окисления оксидного слоя сильно зависела от содержания алюминия. Любое небольшое изменение в алюминии изменило бы скорость окисления, иногда приводя к тому, что отверстия были либо слишком большими, либо слишком маленькими, чтобы соответствовать стандартам спецификации.

Были продемонстрированы устройства с большей длиной волны, от 1300 до 2000 нм, по крайней мере, с активной областью, изготовленной из фосфида индия . VCSEL на еще более высоких длинах волн являются экспериментальными и обычно имеют оптическую накачку. Желательны 1310 нм VCSEL, поскольку дисперсия оптического волокна на основе диоксида кремния минимальна в этом диапазоне длин волн.

Особые формы

Устройства с несколькими активными областями (также известные как биполярные каскадные VCSEL)
Позволяет получать значения дифференциальной квантовой эффективности, превышающие 100%, за счет повторного использования носителей
VCSEL с туннельными переходами
Используя туннельный переход ( n + p + ), можно создать электрически выгодную конфигурацию выводов nn + p + -, которая также может благоприятно влиять на другие структурные элементы (например, в виде скрытого туннельного перехода (BTJ)).
Настраиваемые VCSEL с микромеханически перемещаемыми зеркалами ( MEMS )
(с оптической или электрической накачкой)
VCSEL с межфланцевым или межфланцевым сплавлением
Комбинация полупроводниковых материалов, которые могут быть изготовлены с использованием различных типов подложек.
VCSEL с монолитной оптической накачкой
Два модуля VCSEL друг над другом. Один из них оптически накачивает другого.
VCSEL с продольно интегрированным контрольным диодом
Фотодиод встроен под заднее зеркало VCSEL. VCSEL с поперечно интегрированным контрольным диодом: При соответствующем травлении пластины VCSEL может быть изготовлен резонансный фотодиод, который может измерять интенсивность света соседнего VCSEL.
VCSEL с внешними полостями (VECSEL)
VECSEL имеют оптическую накачку с помощью обычных лазерных диодов. Такое расположение позволяет перекачивать большую площадь устройства и, следовательно, извлекать больше мощности - до 30 Вт. Внешний резонатор также позволяет использовать внутрирезонаторные методы, такие как удвоение частоты, одночастотный режим и синхронизация мод с фемтосекундными импульсами.
Полупроводниковые оптические усилители с вертикальным резонатором
VCSOA оптимизированы как усилители, а не как генераторы. VCSOA должны работать ниже порогового значения и, следовательно, требуют пониженной отражательной способности зеркал для уменьшения обратной связи. Чтобы максимизировать усиление сигнала, эти устройства содержат большое количество квантовых ям (устройства с оптической накачкой были продемонстрированы с 21–28 ямами) и в результате демонстрируют значения однопроходного усиления, которые значительно больше, чем у типичного VCSEL. (примерно 5%). Эти структуры работают как усилители с узкой шириной линии (десятки ГГц) и могут быть реализованы как усилительные фильтры.

Характеристики

Поскольку VCSEL излучают с верхней поверхности чипа, их можно тестировать на пластине , прежде чем они будут разделены на отдельные устройства. Это снижает стоимость изготовления устройств. Это также позволяет строить VCSEL не только в одномерных, но и в двухмерных массивах .

Большая выходная апертура лазеров VCSEL по сравнению с большинством лазеров с торцевым излучением обеспечивает меньший угол расходимости выходного луча и обеспечивает высокую эффективность связи с оптическими волокнами.

Небольшая активная область по сравнению с лазерами с торцевым излучением снижает пороговый ток лазеров VCSEL, что приводит к низкому энергопотреблению. Однако пока что VCSEL имеют меньшую мощность излучения по сравнению с лазерами с торцевым излучением. Низкий пороговый ток также обеспечивает высокую ширину полосы собственной модуляции в VCSEL.

Длину волны VCSEL можно настраивать в пределах полосы усиления активной области, регулируя толщину слоев отражателя.

В то время как ранние лазеры VCSEL излучались в нескольких продольных модах или в режимах нити накала, сейчас широко распространены одномодовые лазеры VCSEL.

VCSEL высокой мощности

Могут быть также изготовлены мощные лазеры с вертикальным резонатором, излучающие поверхность, либо путем увеличения размера излучающей апертуры одного устройства, либо путем объединения нескольких элементов в большие двумерные (2D) массивы. Сообщений об исследованиях мощных лазеров VCSEL относительно немного. Одиночные устройства с большой апертурой, работающие около 100 мВт, были впервые описаны в 1993 году. Улучшения в эпитаксиальном росте, обработке, конструкции устройства и упаковке привели к тому, что к 1998 году отдельные VCSEL с большой апертурой излучали несколько сотен милливатт. Более 2 Вт в непрерывном режиме. (CW) работа при температуре радиатора -10 градусов Цельсия также была отмечена в 1998 году для массива VCSEL, состоящего из 1000 элементов, что соответствует удельной мощности 30 Вт / см 2 . В 2001 году было получено более 1 Вт мощности в непрерывном режиме и 10 Вт в импульсном режиме при комнатной температуре от 19-элементной матрицы. Микросхема массива VCSEL была установлена ​​на алмазном теплораспределителе, что позволило использовать очень высокую теплопроводность алмаза . Рекордная выходная мощность в непрерывном режиме в 3 Вт была зарегистрирована в 2005 году для одиночных устройств большого диаметра, излучающих около 980 нм.

В 2007 году сообщалось о более чем 200 Вт выходной мощности в непрерывном режиме от большой (5 × 5 мм) 2D-матрицы VCSEL, излучающей около длины волны 976 нм, что представляет собой значительный прорыв в области высокомощных VCSEL. Достигнутый высокий уровень мощности в основном был достигнут за счет повышения эффективности розетки и упаковки. В 2009 году уровни мощности> 100 Вт были зарегистрированы для массивов VCSEL, излучающих около 808 нм.

С этого момента технология VCSEL стала полезной для множества медицинских, промышленных и военных приложений, требующих высокой мощности или высокой энергии. Примеры таких приложений:

Приложения

История

О поверхностном излучении массивного полупроводника при сверхнизкой температуре и удержании магнитных носителей сообщил Иварс Мелнгайлис в 1965 году. Первое предложение VCSEL с коротким резонатором было сделано Кеничи Ига из Токийского технологического института в 1977 году. показано в его исследовательской записке. В отличие от обычных полупроводниковых лазеров Фабри-Перо, излучающих кромку, его изобретение включает в себя короткий лазерный резонатор, составляющий менее 1/10 лазеров с кромочным излучением, вертикальный по отношению к поверхности пластины. В 1979 году первая демонстрация короткого резонатора VCSEL была проведена Soda, Iga, Kitahara и Suematsu , но об устройствах для работы в непрерывном режиме при комнатной температуре не сообщалось до 1988 года. Термин VCSEL был придуман в публикации Оптического общества Америки в 1987. В 1989 году Джек Джуэлл возглавил сотрудничество Bell Labs / Bellcore (включая Акселя Шерера , Сэма МакКолла, Йонг Хи Ли и Джеймса Харбисона), в ходе которого было продемонстрировано более 1 миллиона VCSEL на небольшом чипе. Эти первые полностью полупроводниковые лазеры VCSEL представили другие конструктивные особенности, которые до сих пор используются во всех коммерческих лазерах VCSEL. «Эта демонстрация стала поворотным моментом в развитии лазера с поверхностным излучением. В эту область вышло еще несколько исследовательских групп, и вскоре со всего мира стали поступать сообщения о многих важных нововведениях». Эндрю Янг из Агентства перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) быстро инициировал значительное финансирование НИОКР VCSEL, за которым последовали другие усилия правительства и промышленности. Модули VCSEL заменили лазеры с торцевым излучением в приложениях для оптоволоконной связи малого радиуса действия, таких как Gigabit Ethernet и Fibre Channel , и теперь используются для полос пропускания от 1 гигабит / с до> 400 гигабит / с.

Смотрите также

Рекомендации

Внешние ссылки