半導體激光器

1、垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）物理電子學S120100088張帆 一 VCSEL的發(fā)展歷程二二 VCSEL原理結(jié)構(gòu)三 VCSEL的優(yōu)點四 VCSEL的應(yīng)用VCSEL的發(fā)展歷程 1977年東京工業(yè)大學的伊賀教授首先提出垂直面射式激光的概念。在1979年由Soda, Iga, Kitahara and Suematsu （Soda 1979）所發(fā)表，使用液相外延技術(shù)(LPE) 實現(xiàn)InGaAsInP材料的VCSEL在液氮溫度77K下脈沖激射，閾值電流900mA 。1984年伊賀實驗室做出的A1GaAsGaAs室溫面射型脈沖激射激光， 自此VCSEL發(fā)展才打開了新的紀元。 1987年VCSEL這名

2、詞被杜撰于美國光學協(xié)會（Optical Society of America）出版物上。1994 年實現(xiàn)了1550nm 的InGaAsPInP的VCSEL的室溫連續(xù)工作。1993年實現(xiàn)了13lOnm 的InGaAsPInP的VCSEL的室溫連續(xù)工作 ，同年夏天實現(xiàn)了670nm室溫連續(xù)激射。VCSEL的發(fā)展歷程 1991年實現(xiàn)了波長為980nmGaAsInGaAs系列的VCSEL室溫連續(xù)工作。 1999年，東京大學和德國維爾茲堡大學的研究人員在室溫下從光泵浦InGaN垂直腔面發(fā)射激光器二維列陣中獲得藍光發(fā)射(399nm波長) 。1999年，桑迪亞國家實驗室利用反傳導耦合，制作了發(fā)射868nm波長

3、的兩個強烈耦合鎖相列陣垂直腔面發(fā)射激光器，以不同衍射極限光束質(zhì)量的高功率垂直腔面發(fā)射激光器為基礎(chǔ)的發(fā)射器鋪平了道路。 2000年，圣巴巴拉加州大學研究小組發(fā)展了第一個室溫運轉(zhuǎn)、輸出波長為1550nm的電抽運，全晶格匹配、砷銻化合物單塊垂直腔面發(fā)射激光器，室溫下閾值電流為7mA，高溫時(45oC)閾值電流1.55mA 。VCSEL的發(fā)展歷程 2001年在室溫下用含19個單元的陣列實現(xiàn)了1W的連續(xù)波方式工作或是10W的脈沖方式工作。2005年通過增大口徑大小，實現(xiàn)了3W的輸出功率，波長為980nm。2007年，一個5mm*5mm的陣列實現(xiàn)了200W的輸出功率，這是一個高功率VCSEL方面的重大突破

4、。2009年在808nm功率達到了大于100W這個等級?，F(xiàn)在vcsel朝著脈沖方式工作，更低的閾值電流，更多種發(fā)射波長，更高輸出功率的方向發(fā)展。VCSEL的原理結(jié)構(gòu) 一個激光諧振腔是由兩面布拉格反射鏡 (DBR)平行于一個芯片反應(yīng)區(qū)的表面構(gòu)成， 在一般的VCSEL中，較高和較低的兩個透鏡分別鍍上了p型材料和n型材料，形成一個接面二極管。在較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中，p型和n型區(qū)域可能會埋在透鏡中，使較復(fù)雜的半導體在反應(yīng)區(qū)上加工做電路的連接，并除去在DBR結(jié)構(gòu)中電子能量的耗損。VCSEL的原理結(jié)構(gòu) 典型的VCSEL結(jié)構(gòu)如圖1所示，其有源區(qū)由多量子阱組成，有源區(qū)上下兩邊分別由多層四分之一波長厚的高低折射率交

5、替的外延材料形成的DBR，相鄰層之間的折射率差使每組疊層的Bragg波長附近的反射率達到極高(99)的水平，需要制作的高反射率器的對數(shù)依據(jù)每對層的折射率而定，激光器的偏置電流流過反射器，它們是高摻雜的以便減小串聯(lián)電阻由一組少量的量子阱提供光增益，典型的量子阱數(shù)為1至4個，它們被置于駐波圖形的最大處附近，以便獲得最大的受激輻射效率而進入振蕩場。出射光方向可以是頂部或襯底，這主要取決于襯底材料對所發(fā)出的激射光是否透明以及上下DBR究竟那一個取值更大一些。 VCSEL的原理結(jié)構(gòu) VCSEL的優(yōu)點 波長穩(wěn)定性VCSEL激射波長非常穩(wěn)定，因為它是由短期（1-1.5波長厚）法布里 - 珀羅腔固定。波長均勻

6、性生長技術(shù)改善了腔波長為2nm的標準偏差，這允許制造的VCSEL2-D數(shù)組數(shù)組的元素（1nm的全寬半高譜寬）之間的小波長變化?？煽啃杂捎赩CSEL的不受災(zāi)難性的光學損傷，其可靠性比邊緣發(fā)射器高得多可擴展性對于高功率應(yīng)用中，VCSEL關(guān)鍵優(yōu)勢是可以直接加工成單片的2D陣列VCSEL的應(yīng)用 激光打印機 在光打印方面，激光打印機中的多邊鏡等光掃描技術(shù)的電子化是多年未能解決的課題，隨著技術(shù)的發(fā)展，已逐步得到改善。如果采用LED陣列，電能消耗是個瓶頸，而導入VCSEL陣列則可以解決這個問題。采用數(shù)千個VCSEL構(gòu)成的陣列形式的多光束將可能成為取代多邊鏡掃描的最好方式。相比過去的單個激光管，VCSEL的陣

7、列集成結(jié)構(gòu)可以同時進行多行的掃描。這可以大大提高激光打印機的掃描速度并相應(yīng)延長其使用壽命。VCSEL的應(yīng)用 激光顯示在光顯示方面，通常的顯示器都是利用紅、綠、藍三元色發(fā)光管構(gòu)成的，如果能夠制成具有紅、綠、藍三元色的激光器，則可以應(yīng)用在大型顯示器的技術(shù)領(lǐng)域中。目前，波長范圍從藍色覆蓋到紫外波段的GaN系列激光器正處在研究階段。這個系列的VCSEL是解決未來圖像顯示的有力技術(shù)。在照明方面，VCSEL的電光轉(zhuǎn)換效率達到50以上，遠遠高于目前的照明光源，如果它的波長能從紫外波段覆蓋到可見光區(qū)，可以期待它在照明領(lǐng)域里面也能有著廣泛的應(yīng)用前景，實現(xiàn)白光照明。例如，可調(diào)節(jié)光線強度的室內(nèi)照明，筆記本電腦的背景燈，交通指示燈以及戶外照明燈等許多方面。VCSEL的應(yīng)用 條形碼掃描VCSEL與以往的激光器相比，VCSEL具有閾值電流0.55mA，斜率效率0.240.7 mWmA，射線角l5度，光譜寬度小于0.3nm，象散為零， 射線的形狀為圓形等優(yōu)點。這些優(yōu)點正預(yù)示著它適