Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
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 от пластины . VCSEL используются в различных лазерных продуктах, включая компьютерные мыши , волоконно-оптическую связь , лазерные принтеры , Face ID , [1]и смарт-очки . [2]

Преимущества производства [ править ]

Производство VCSEL имеет несколько преимуществ по сравнению с производством лазеров с торцевым излучением. Краевые излучатели не могут быть проверены до конца производственного процесса. Если кромочный излучатель не работает должным образом 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 для проверки качества материала и проблем обработки. Например, если переходные отверстия , электрические соединения между слоями схемы, не были полностью очищены от диэлектрика.материала во время травления, промежуточный процесс тестирования отметит, что верхний металлический слой не контактирует с исходным металлическим слоем. Кроме того, поскольку VCSEL излучают луч перпендикулярно активной области лазера, а не параллельному, как у краевого излучателя, десятки тысяч VCSEL могут обрабатываться одновременно на трехдюймовой пластине арсенида галлия . Кроме того, даже несмотря на то, что процесс производства VCSEL является более трудоемким и материалоемким, выход можно контролировать для достижения более предсказуемого результата.

Структура [ править ]

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 более 99%. Зеркала с высокой отражательной способностью требуются в VCSEL, чтобы сбалансировать короткую осевую длину области усиления.

В обычных VCSEL верхнее и нижнее зеркало 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, сформированными из GaAs и арсенида алюминия-галлия (Al x Ga (1- x ) As). Система GaAs – AlGaAs является предпочтительной 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 преломленияСодержание AlGaAs относительно сильно меняется при увеличении доли Al, что сводит 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 быть образован 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 повсюду, кроме апертуры VCSEL, разрушая решеточную структуру вокруг апертуры, тем самым подавляя ток. В середине-конце 1990-х годов компании перешли на технологию оксидных лазеров VCSEL. Ток удерживается в оксиде VCSEL за счет окисления материала вокруг апертуры VCSEL. Слой алюминия с высоким содержанием, который растет 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 оксидной апертурой.

Первоначальное признание оксидных лазеров VCSEL было затруднено 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 таковым у имплантата VCSEL, излучающего такое же количество выходной мощности». [3]Промышленность также беспокоила производственная проблема, когда оксидные лазеры VCSEL переводились из режима исследований и разработок в режим производства. Скорость окисления оксидного слоя сильно зависит 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, сделанной 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.

Специальные формы [ править ]

Устройства с несколькими активными областями (также известные как биполярные каскадные VCSEL)
Позволяет получать значения дифференциальной квантовой эффективности, превышающие 100%, за счет переработки носителей
VCSEL с туннельными переходами
Используя туннельный переход ( n + p + ), можно построить электрически выгодную конфигурацию выводов nn + p + -, которая также может благоприятно влиять на другие структурные элементы (например, в форме скрытого туннельного перехода (BTJ)).
Настраиваемые VCSEL с микромеханически перемещаемыми зеркалами ( MEMS )
(с оптической [4] или электрической накачкой [5] [6] )
VCSEL с межфланцевым или межфланцевым сплавлением
Комбинация полупроводниковых материалов, которые могут быть изготовлены с использованием различных типов подложек [7]
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)
Для оптической накачки VECSEL используются обычные лазерные диоды. Такое расположение позволяет перекачивать большую площадь устройства и, следовательно, извлекать большую мощность - 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, таким образом, 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 выше, 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 [ править ]

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 двумерных 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. [8]

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

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

VCSEL высокой мощности [ править ]

Также можно изготавливать 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. Большой апертурой одиночные устройства , работающие около 100 мВт были впервые опубликованы в 1993 году [9] Улучшения в эпитаксиального роста, обработки, конструкции устройства и упаковки привело к отдельным вИЛ большой апертурой , испускающих несколько сотен милливатт к 1998 году [10] Далее В 1998 году также сообщалось о работе в непрерывном режиме (CW) мощностью более 2 Вт при температуре радиатора -10 градусов Цельсия для массива VCSEL, состоящего из 1000 элементов, что соответствует плотности мощности 30 Вт / см 2 .[11] В 2001 году было сообщено о мощности более 1 Вт в непрерывном режиме и 10 Вт в импульсном режиме при комнатной температуре от 19-элементной матрицы. [12] Чип матрицы VCSEL был установлен 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. [13]

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 [14], что представляет собой существенный прорыв в области высокомощных VCSEL. Достигнутый высокий уровень мощности в основном был достигнут благодаря повышению эффективности розетки и упаковке. В 2009 г. уровни мощности> 100 Вт были зарегистрированы для массивов VCSEL, излучающих около 808 нм. [15]

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

  • Медицина / косметика: лазерная эпиляция , лазерное удаление морщин
  • Инфракрасные осветители для военных / наблюдения
  • Накачка твердотельных лазеров и волоконных лазеров
  • Генерация мощной / высокоэнергетической второй гармоники (синий / зеленый свет) [16]
  • Лазерная обработка: лазерная резка , лазерное сверление , лазерная абляция , лазерная гравировка

Приложения [ править ]

  • Передача данных по оптоволокну
  • Передача аналогового широкополосного сигнала
  • Абсорбционная спектроскопия ( TDLAS )
  • Лазерные принтеры
  • Компьютерная мышь
  • Биологический анализ тканей
  • Чиповые атомные часы
  • Лидар для камер мобильных телефонов
  • Структурированный свет (например, «точечный проектор» для iPhone X).
  • Лидар для предотвращения столкновений автомобилей

История [ править ]

О первом VCSEL сообщил Иварс Мелнгайлис в 1965 году. [17] [18] [19] В конце 1970-х годов основная работа над VCSEL была проделана Soda, Iga, Kitahara и Suematsu , [20] но устройства для работы в непрерывном режиме при комнатной температуре. не сообщалось до 1988 года. [21] Термин VCSEL был введен в публикацию Оптического общества Америки в 1987 году. [22] В 1989 году Джек Джуэлл возглавил сотрудничество Bell Labs / Bellcore (включая Акселя Шерера , Сэма МакКолла, Йонга) Хи Ли и Джеймс Харбисон), который продемонстрировал более 1 миллиона VCSEL на небольшом чипе. [23] [24]Эти первые полностью полупроводниковые VCSEL представили другие конструктивные особенности, которые все еще используются во всех коммерческих VCSEL. «Эта демонстрация стала поворотным моментом в развитии лазера с поверхностным излучением. В эту область вышли еще несколько исследовательских групп, и вскоре со всего мира стали поступать сообщения о многих важных нововведениях». [25] Эндрю Ян из Агентства перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) быстро инициировал значительное финансирование НИОКР VCSEL, за которым последовали другие усилия правительства и промышленности. [25] 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 линий связи с полосой пропускания от 1 гигабит / с до> 400 гигабит / с.

См. Также [ править ]

  • Оптическое соединение
  • Узкое место в межсоединении
  • Оптоволоконный кабель
  • Оптическая связь
  • Параллельный оптический интерфейс

Ссылки [ править ]

  1. ^ Extance, Энди (9 апреля 2018). «Лица загораются над перспективами VCSEL» . ШПИОН .
  2. ^ Бона, Дитер (5 февраля 2018). «Intel сделала умные очки, которые выглядят нормально» . Грань .
  3. ^ http://photonicssociety.org/newsletters/aug99/article6.htm
  4. ^ В. Джаяраман, Дж. Цзян, Б. Потсайд, Дж. Коул, Дж. Фудзимото и Алекс Кейбл «Дизайн и характеристики широко настраиваемых, узкой ширины линии и высокой частоты повторения 1310 нм VCSEL для оптической когерентной томографии с разверткой источника», том 8276 SPIE бумага 82760D, 2012
  5. ^ С. Gierl, Т. Gruendl, П. Debernardi, К. Zogal, С. Грасс, Х. Давани, Г. Бем, С. Джатта, Ф. Кюпперс, П. Meißner и М. Аманн, «Поверхностная микромеханического перестраиваемый 1,55 мкм-VCSEL с непрерывной одномодовой настройкой 102 нм, "Опт. Экспресс 19, 17336-17343 2011 г.
  6. ^ Д.Д. Джон, К. Бургнер, Б. Потсайд, М. Робертсон, Б. Ли, У. Дж. Чой, А. Кейбл, Дж. Фудзимото и В. Джаяраман, «Широкополосная электронно-накачиваемая 1050-нм МЭМС-настраиваемая VCSEL для офтальмологической визуализации. , ”Jnl. Lightwave Tech., Т. 33, нет. 16, стр. 3461 - 3468, февраль 2015 г.
  7. ^ В. Джаяраман, Г.Д. Коул, М. Робертсон, А. Уддин и А. Кейбл, «1310 нм MEMS-VCSEL с высокой скоростью развертки и диапазоном непрерывной настройки 150 нм», Электронные письма, т. 48, вып. 14. С. 867–869, 2012.
  8. ↑ Ига, Кеничи (2000). «Лазер с поверхностным излучением - рождение и поколение новой области оптоэлектроники». IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics . 6 (6): 1201–1215. Bibcode : 2000IJSTQ ... 6.1201I . DOI : 10.1109 / 2944.902168 .
  9. ^ Петерс, Ф .; М. Петерс; Д. Янг; Дж. Скотт; Б. Тибо; С. Корзин; Л. Колдрен (январь 1993 г.). "Мощные лазеры поверхностного излучения с вертикальным резонатором". Письма об электронике . 29 (2): 200–201. DOI : 10.1049 / эл: 19930134 .
  10. ^ Grabherr, M .; Р. Ягер; М. Миллер; К. Талмайер; Дж. Херлейн; Р. Михальзик; К. Эбелинг (август 1998 г.). "VCSEL с нижним излучением для высокой выходной оптической мощности CW". Письма IEEE Photonics Technology Letters . 10 (8): 1061–1063. Bibcode : 1998IPTL ... 10.1061G . DOI : 10.1109 / 68.701502 .
  11. ^ Фрэнсис, D .; Chen, H.-L .; Yuen, W .; Li, G .; Чанг-Хаснайн, К. (октябрь 1998 г.). «Монолитный массив 2D-VCSEL с> 2 Вт в непрерывном режиме и> 5 Вт в импульсном режиме на выходе». Письма об электронике . 34 (22): 2132–2133. DOI : 10.1049 / эл: 19981517 .
  12. ^ Миллер, М .; М. Грабхерр; Р. Ягер; К. Эбелинг (март 2001 г.). «Мощные массивы VCSEL для излучения в ваттном режиме при комнатной температуре». Письма IEEE Photonics Technology Letters . 13 (3): 173–175. Bibcode : 2001IPTL ... 13..173M . DOI : 10.1109 / 68.914311 .
  13. ^ Д'Азаро, Лос-Анджелес; Дж. Серен и Дж. Винн (февраль 2005 г.). «Мощные и высокоэффективные системы VCSEL преследуют цель» . Спектры фотоники . 39 (2): 62–66.
  14. ^ Seurin, JF .; LA D'Asaro; К. Гош (июль 2007 г.). «Новое приложение для лазеров VCSEL: мощные лазеры накачки» . Спектры фотоники . 41 (7).
  15. ^ Seurin, JF .; Г. Сюй; В. Хальфин; А. Мигло; JD Wynn; П. Прадхан; CL Ghosh; LA D'Asaro (февраль 2009 г.). «Прогресс в области создания мощных и высокоэффективных массивов VCSEL». Труды SPIE, Поверхностно-излучающие лазеры с вертикальным резонатором XIII . Лазеры поверхностного излучения с вертикальным резонатором XIII. 7229 : 722903–1–11. DOI : 10.1117 / 12.808294 .
  16. ^ Van Leeuwen, R .; Seurin, JF .; Xu, G .; Гош, К. (февраль 2009 г.). «Мощные импульсные внутрирезонаторные лазерные решетки с двойным вертикальным расширенным резонатором с двойной частотой». Труды SPIE, в твердотельных лазерах XVIII: Технология и устройства . Твердотельные лазеры XVIII: Технология и устройства. 7193 : 771931D – 1–9. DOI : 10.1117 / 12.816035 .
  17. ^ Eli Kapon (1998). Полупроводниковые лазеры II: материалы и конструкции . ISBN 9780080516967.
  18. ^ Shun Лянь Чжуан (2009). Физика фотонных устройств .
  19. ^ JK Петерсон (2002). Иллюстрированный словарь по волоконной оптике . ISBN 9780849313493.
  20. ^ Сода, Харухиса; и другие. (1979). "Инжекционные лазеры на основе GaInAsP / InP". Японский журнал прикладной физики . 18 (12): 2329–2330. Bibcode : 1979JaJAP..18.2329S . DOI : 10,1143 / JJAP.18.2329 .
  21. ↑ Кояма, Фумио; и другие. (1988). "Непрерывный режим работы GaAs-лазера с вертикальным резонатором в непрерывном режиме при комнатной температуре" Пер. IEICE . E71 (11): 1089–1090.
  22. ^ Кристенсен, DH; Барнс, Ф.С. (февраль 1987 г.). "Лазер с вертикальным резонатором поверхностного излучения в молекулярно-лучевом эпитаксиальном GaAs / AlGaAs с использованием многослойного диэлектрического зеркала". Тематическое совещание по полупроводниковым лазерам, Технический сборник . Оптическое общество Америки. 6 : WA7-1. ISBN 0-936659-39-4.
  23. ^ Джуэлл, JL; Scherer, A .; Макколл, SL; Ли, YH; Уокер, S .; Harbison, JP; Флорез, LT (август 1989 г.). "Низкопороговые поверхностно-излучающие микролазеры с вертикальным резонатором и электрической накачкой". Письма об электронике . 25 (17): 1123–1124. DOI : 10.1049 / эл: 19890754 .
  24. ^ Ли, YH; Джуэлл, JL; Scherer, A .; Макколл, SL; Harbison, JP; Флорез, LT (сентябрь 1989 г.). "Одноквантовые микролазерные диоды с вертикальным резонатором и непрерывным излучением при комнатной температуре" (PDF) . Письма об электронике . 25 (20): 1377–1378. DOI : 10.1049 / эл: 19890921 .
  25. ^ a b Тау, Элиас; Leheny, Роберт Ф .; Ян, Эндрю (декабрь 2000 г.). «Историческая перспектива развития лазера поверхностного излучения с вертикальным резонатором». Журнал IEEE по избранным темам квантовой электроники . 6 (6): 1458–1464. Bibcode : 2000IJSTQ ... 6.1458T . DOI : 10.1109 / 2944.902201 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Длинноволновые лазеры поверхностного излучения: введение
  • Руководство Бритни по физике полупроводников: VCSEL