Вертикально-резонаторный поверхностно-излучающий лазер
Type of semiconductor laser diode
Схема простой структуры VCSEL.

Вертикально -резонаторный поверхностно-излучающий лазер ( VCSEL / ˈ v ɪ k s əl / ) представляет собой тип полупроводникового лазерного диода с излучением лазерного луча перпендикулярно верхней поверхности, в отличие от обычных торцевых полупроводниковых лазеров (также называемых лазерами в плоскости ), которые излучают с поверхностей, образованных путем скалывания отдельного чипа из пластины . VCSEL используются в различных лазерных изделиях, включая компьютерные мыши , волоконно-оптические коммуникации , лазерные принтеры , Face ID , [1] и умные очки . [2]

Преимущества производства

Производство VCSEL имеет несколько преимуществ по сравнению с процессом производства лазеров с граничным излучением. Граничные излучатели не могут быть протестированы до конца производственного процесса. Если граничный излучатель не функционирует должным образом, будь то из-за плохих контактов или низкого качества роста материала, то время производства и материалы для обработки были потрачены впустую. Однако VCSEL можно тестировать на нескольких этапах в течение всего процесса, чтобы проверить качество материала и проблемы обработки. Например, если переходные отверстия , которые являются электрическими соединениями между слоями схемы, не были полностью очищены от диэлектрического материала во время травления, промежуточный процесс тестирования покажет, что верхний металлический слой не контактирует с исходным металлическим слоем. Кроме того, поскольку VCSEL излучают луч перпендикулярно активной области лазера, а не параллельно, как в случае граничного излучателя, десятки тысяч VCSEL могут быть обработаны одновременно на трехдюймовой пластине из арсенида галлия . Таким образом, хотя процесс производства VCSEL более трудоемкий и материалоемкий, выход можно контролировать для получения более предсказуемого и высокого результата. [3]

Структура

Реалистичная структура устройства VCSEL. Это VCSEL с множественными квантовыми ямами и нижним излучением .

Лазерный резонатор состоит из двух зеркал распределенного брэгговского отражателя (DBR), параллельных поверхности пластины, с активной областью, состоящей из одной или нескольких квантовых ям для генерации лазерного света между ними. Плоские DBR-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 интенсивности более 99%. Зеркала с высокой отражательной способностью требуются в VCSEL для балансировки короткой осевой длины области усиления.

В обычных VCSEL верхнее и нижнее зеркала легированы как материалы p-типа и n-типа , образуя диодный переход. В более сложных структурах области p-типа и n-типа могут быть встроены между зеркалами, требуя более сложного полупроводникового процесса для создания электрического контакта с активной областью, но исключая потерю электроэнергии в структуре DBR.

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

VCSEL для длин волн от 650 нм до 1300 нм обычно основаны на пластинах арсенида галлия (GaAs) с DBR, сформированными из GaAs и арсенида галлия алюминия (Al x Ga (1− x ) As). Система GaAs–AlGaAs является предпочтительной для построения VCSEL, поскольку постоянная решетки материала не сильно меняется при изменении состава, что позволяет выращивать несколько «согласованных по решетке» эпитаксиальных слоев на подложке GaAs. Однако показатель преломления AlGaAs относительно сильно меняется при увеличении доли Al, что минимизирует 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 может использоваться для ограничения тока в VCSEL, обеспечивая очень низкие пороговые токи.

Основные методы ограничения тока в VCSEL подразделяются на два типа: ионно-имплантированные VCSEL и оксидные VCSEL.

В начале 1990-х годов телекоммуникационные компании отдавали предпочтение ионно-имплантированным VCSEL. Ионы (часто ионы водорода, H+) имплантировались в структуру VCSEL везде, кроме апертуры VCSEL, разрушая структуру решетки вокруг апертуры, тем самым подавляя ток. В середине-конце 1990-х годов компании перешли к технологии оксидных VCSEL. Ток ограничивается в оксидном VCSEL путем окисления материала вокруг апертуры VCSEL. Высококонцентрированный слой алюминия, который выращивается внутри структуры VCSEL, является слоем, который окисляется. Оксидные VCSEL также часто используют этап производства ионного имплантата. В результате в оксидном VCSEL путь тока ограничивается ионным имплантатом и оксидной апертурой.

Первоначальное принятие оксидных VCSEL было осложнено опасениями по поводу того, что апертуры «выскакивают» из-за деформации и дефектов оксидного слоя. Однако после многочисленных испытаний надежность конструкции оказалась высокой. Как указано в одном исследовании Hewlett Packard по оксидным VCSEL, «Результаты испытаний на напряжение показывают, что энергия активации и срок службы до износа оксидных VCSEL аналогичны таковым у имплантированных VCSEL, излучающих такое же количество выходной мощности». [4] Производственная проблема также преследовала отрасль при переводе оксидных VCSEL из режима исследований и разработок в режим производства. Скорость окисления оксидного слоя сильно зависела от содержания алюминия. Любое небольшое изменение в алюминии изменяло скорость окисления, что иногда приводило к тому, что апертуры были либо слишком большими, либо слишком маленькими для соответствия стандартам спецификации.

Были продемонстрированы устройства с более длинными волнами, от 1300 нм 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. VCSEL на 1310 нм желательны, поскольку дисперсия оптического волокна на основе кремния минимальна в этом диапазоне длин волн.

Специальные формы

Устройства с несколькими активными областями (также известные как биполярные каскадные VCSEL)
Позволяет достичь значений дифференциальной квантовой эффективности, превышающих 100%, за счет рециркуляции носителей.
VCSEL с туннельными переходами
Используя туннельный переход (n + p + ), можно построить электрически выгодную конфигурацию nn + p + -штыревых контактов, которая также может оказывать благоприятное влияние на другие структурные элементы (например, в форме подземного туннельного перехода (BTJ)).
Настраиваемые VCSEL с микромеханически подвижными зеркалами ( MEMS )
(с оптической [5] или электрической накачкой [6] [7] )
VCSEL с привариванием или сплавлением пластин
Комбинация полупроводниковых материалов, которые могут быть изготовлены с использованием различных типов подложечных пластин [8]
Монолитно-оптически накачиваемые VCSEL
Два VCSEL друг над другом. Один из них оптически накачивает другой.
VCSEL с продольно интегрированным контрольным диодом
Фотодиод встроен под заднее зеркало VCSEL. VCSEL с поперечно интегрированным контрольным диодом: При соответствующем травлении пластины VCSEL можно изготовить резонансный фотодиод, который может измерять интенсивность света соседнего VCSEL.
VCSEL с внешними полостями (VECSEL)
VECSEL оптически накачиваются обычными лазерными диодами. Такая компоновка позволяет накачивать большую площадь устройства и, следовательно, извлекать больше мощности — до 30 Вт. Внешний резонатор также позволяет использовать внутрирезонаторные методы, такие как удвоение частоты, одночастотный режим работы и синхронизация мод фемтосекундных импульсов.
Вертикально-резонаторные полупроводниковые оптические усилители
VCSOA оптимизированы как усилители, а не как генераторы. VCSOA должны работать ниже порога и, таким образом, требуют уменьшенных отражательных способностей зеркал для уменьшения обратной связи. Для того 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 усиления за один проход, которые значительно больше, чем у типичного VCSEL (примерно 5%). Эти структуры работают как узкополосные (десятки ГГц) усилители и могут быть реализованы как усиливающие фильтры.

Характеристики

Поскольку VCSEL излучают с верхней поверхности чипа, их можно тестировать на пластине , до того, как 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 VCSEL по сравнению с большинством лазеров с торцевым излучением обеспечивает меньший угол расхождения выходного луча и обеспечивает высокую эффективность соединения с оптическими волокнами.

Небольшая активная область, по сравнению с лазерами с граничным излучением, снижает пороговый ток VCSEL, что приводит к низкому энергопотреблению. Однако, пока что VCSEL имеют более низкую мощность излучения по сравнению с лазерами с граничным излучением. Низкий пороговый ток также допускает высокую собственную ширину полосы модуляции в VCSEL. [9]

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

В то время как ранние VCSEL излучали в нескольких продольных модах или в модах накала, в настоящее время широко распространены одномодовые VCSEL.

Высокомощные VCSEL

Мощные вертикально-резонаторные поверхностно-излучающие лазеры также могут быть изготовлены либо путем увеличения размера излучающей апертуры одного устройства, либо путем объединения нескольких элементов в большие двумерные (2D) массивы. Было относительно мало опубликованных исследований по мощным VCSEL. Одиночные устройства с большой апертурой, работающие около 100 мВт, были впервые описаны в 1993 году. [10] Улучшения в эпитаксиальном росте, обработке, проектировании устройств и упаковке привели к тому, что отдельные VCSEL с большой апертурой излучали несколько сотен милливатт к 1998 году. [11] В 1998 году также сообщалось о работе более 2 Вт в непрерывном режиме (CW) при температуре радиатора -10 градусов по Цельсию от массива VCSEL, состоящего из 1000 элементов, что соответствует плотности мощности 30 Вт/ см2 . [12] В 2001 году было сообщено о более чем 1 Вт непрерывной мощности и 10 Вт импульсной мощности при комнатной температуре от 19-элементной решетки. [13] Чип решетки VCSEL был установлен на алмазном теплоотводе, используя преимущество очень высокой теплопроводности алмаза . Рекордная выходная мощность 3 Вт непрерывной мощности была сообщена в 2005 году от одиночных устройств большого диаметра, излучающих около 980 нм. [14]

В 2007 году сообщалось о более чем 200 Вт выходной мощности CW от большой (5 × 5 мм) 2D VCSEL-матрицы, излучающей около длины волны 976 нм, [15] что представляет собой существенный прорыв в области мощных VCSEL. Высокий уровень мощности был достигнут в основном за счет улучшения эффективности и упаковки настенных розеток . В 2009 году сообщалось о уровнях мощности >100 Вт для VCSEL-матриц, излучающих около 808 нм. [16]

В этот момент технология VCSEL стала полезной для различных медицинских, промышленных и военных приложений, требующих высокой мощности или энергии. Примерами таких приложений являются:

Приложения

История

Поверхностная эмиссия из объемного полупроводника при сверхнизкой температуре и магнитном ограничении носителей была сообщена Иварсом Мелнгаилисом в 1965 году. [18] [19] [20] Первое предложение о коротком резонаторе VCSEL было сделано Кеничи Игой из Токийского технологического института в 1977 году. Простой рисунок его идеи показан в его исследовательской записке. В отличие от обычных полупроводниковых лазеров с торцевым излучением Фабри-Перо, его изобретение включает короткий лазерный резонатор, составляющий менее 1/10 лазеров с торцевым излучением, вертикально по отношению к поверхности пластины. В 1979 году Сода, Ига, Китахара и Суэматсу провели первую демонстрацию короткого резонатора VCSEL , [21] но устройства для работы в непрерывном режиме при комнатной температуре не были представлены до 1988 года. [22] Термин VCSEL был введен в публикацию Оптического общества Америки в 1987 году . [23] В 1989 году Джек Джуэлл возглавил сотрудничество Bell Labs / Bellcore (включая Акселя Шерера , Сэма Макколла, Ён Хи Ли и Джеймса Харбисона), которое продемонстрировало более 1 миллиона VCSEL на небольшом кристалле. [24] [25] Эти первые полностью полупроводниковые VCSEL представили другие конструктивные особенности, которые до сих пор используются во всех коммерческих VCSEL. «Эта демонстрация ознаменовала поворотный момент в разработке поверхностно-излучающего лазера. В эту область вошли еще несколько исследовательских групп, и вскоре со всего мира поступили сообщения о многих важных инновациях». [26] Эндрю Янг из Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) быстро инициировал значительное финансирование НИОКР VCSEL, за которым последовали другие правительственные и промышленные усилия по финансированию. [26] VCSEL заменили лазеры с торцевым излучением в приложениях для волоконно-оптической связи на короткие расстояния, таких как Gigabit Ethernet и Fibre Channel , и теперь используются для пропускной способности каналов от 1 до 400 гигабит в секунду и более.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Extance, Энди (9 апреля 2018 г.). «Лица светятся от перспектив VCSEL». SPIE .
  2. ^ Бон, Дитер (5 февраля 2018 г.). «Intel создала умные очки, которые выглядят как обычные». The Verge .
  3. ^ SEO_INPHENIX (2021-09-24). "Введение в VCSEL: принципы работы и характеристики". INPHENIX . Получено 2023-12-21 .
  4. ^ Lei, C.; Deng, H.; Dudley, JJ; Lim, SF; Liang, B.; Tashima, M.; Herrick, RW (1999). "Производство оксидных VCSEL в Hewlett Packard". Сборник летних тематических встреч LEOS 1999 года: наноструктуры и квантовые точки/компоненты WDM/VCSEL и микрорезонаторы/RF-фотоника для систем CATV и HFC (кат. № 99TH8455). IEEE Photonics Society . стр.  III11 – III12 . doi :10.1109/LEOSST.1999.794691. ISBN  0-7803-5633-0. S2CID  39634122. Архивировано из оригинала 10 ноября 2016 г. . Получено 3 июня 2021 г. .
  5. ^ V. Jayaraman, J. Jiang, B. Potsaid, G. Cole, J Fujimoto и Alex Cable "Проектирование и эксплуатационные характеристики широко настраиваемых, узколинейных, высокочастотных VCSEL 1310 нм для оптической когерентной томографии с качающимся источником", SPIE, том 8276, статья 82760D, 2012 г.
  6. ^ C. Gierl, T. Gruendl, P. Debernardi, K. Zogal, C. Grasse, H. Davani, G. Böhm, S. Jatta, F. Küppers, P. Meißner и M. Amann, "Поверхностно-микромашинный настраиваемый 1,55 мкм-VCSEL с непрерывной одномодовой настройкой 102 нм", Opt. Express 19, 17336-17343 2011
  7. ^ DD John, C. Burgner, B. Potsaid, M. Robertson, B. Lee, WJ Choi, A. Cable, J. Fujimoto и V. Jayaraman, «Широкополосный электрически накачиваемый 1050 нм MEMS-настраиваемый VCSEL для офтальмологической визуализации», Jnl. Lightwave Tech., т. 33, № 16, стр. 3461–3468, февраль 2015 г.
  8. ^ V. Jayaraman, GD Cole, M. Robertson, A. Uddin и A. Cable, «Высокоскоростной MEMS-VCSEL 1310 нм с диапазоном непрерывной настройки 150 нм», Electronics Letters, т. 48, № 14, стр. 867–869, 2012.
  9. ^ Ига, Кеничи (2000). «Лазер с поверхностным излучением — его рождение и генерация нового поля оптоэлектроники». IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics . 6 (6): 1201– 1215. Bibcode : 2000IJSTQ...6.1201I. doi : 10.1109/2944.902168. S2CID  10550809.
  10. ^ Peters, F.; M. Peters; D. Young; J. Scott; B. Thibeault; S. Corzine; L. Coldren (январь 1993 г.). "Высокопроизводительные вертикально-резонаторные поверхностно-излучающие лазеры". Electronics Letters . 29 (2): 200– 201. Bibcode : 1993ElL....29..200P. doi : 10.1049/el:19930134.
  11. ^ Grabherr, M.; R. Jager; M. Miller; C. Thalmaier; J. Herlein; R. Michalzik; K. Ebeling (август 1998 г.). "Bottom-emitting VCSEL's for high-CW optical output power". IEEE Photonics Technology Letters . 10 (8): 1061– 1063. Bibcode : 1998IPTL...10.1061G. doi : 10.1109/68.701502. S2CID  22839700.
  12. ^ Фрэнсис, Д.; Чен, Х.-Л.; Юэнь, В.; Ли, Г.; Чанг-Хаснаин, К. (октябрь 1998 г.). «Монолитная матрица 2D-VCSEL с выходной мощностью >2 Вт CW и >5 Вт импульсной мощности». Electronics Letters . 34 (22): 2132– 2133. Bibcode :1998ElL....34.2132F. doi :10.1049/el:19981517.
  13. ^ Миллер, М.; М. Грабхерр; Р. Ягер; К. Эбелинг (март 2001 г.). «Мощные массивы VCSEL для излучения в ваттном режиме при комнатной температуре». IEEE Photonics Technology Letters . 13 (3): 173– 175. Bibcode : 2001IPTL...13..173M. doi : 10.1109/68.914311. S2CID  22964703.
  14. ^ D'Asaro, LA; J. Seurin и J.Wynn (февраль 2005 г.). «Мощные, высокоэффективные VCSEL преследуют цель». Photonics Spectra . 39 (2): 62–66 .
  15. ^ Seurin, JF.; LA D'Asaro; C. Ghosh (июль 2007 г.). «Новое применение VCSEL: высокомощные лазеры накачки». Photonics Spectra . 41 (7).
  16. ^ Сеурин, Дж. Ф.; Г. Сюй; В. Халфин; А. Мигло; Джей Ди Винн; П. Прадхан; С.Л. Гош; ЛА Д'Асаро (февраль 2009 г.). Шокетт, Кент Д; Лей, Чун (ред.). «Прогресс в создании мощных высокоэффективных массивов VCSEL». Труды SPIE, Лазеры поверхностного излучения с вертикальным резонатором XIII . Лазеры поверхностного излучения с вертикальным резонатором XIII. 7229 : 722903–1–11. Бибкод : 2009SPIE.7229E..03S. дои : 10.1117/12.808294. S2CID  109520958.
  17. ^ Van Leeuwen, R.; Seurin, JF.; Xu, G.; Ghosh, C. (февраль 2009 г.). Clarkson, W. Andrew; Hodgson, Norman; Shori, Ramesh K (ред.). "Высокомощные импульсные внутрирезонаторные частоты с удвоением вертикального расширенного резонатора синие лазерные массивы". Труды SPIE, в Solid State Lasers XVIII: Technology and Devices . Solid State Lasers XVIII: Technology and Devices. 7193 : 771931D–1–9. Bibcode :2009SPIE.7193E..1DV. doi :10.1117/12.816035. S2CID  21109187.
  18. ^ Эли Капон (1998). Полупроводниковые лазеры II: Материалы и структуры . Elsevier. ISBN 9780080516967.
  19. ^ Шун Лиен Чуан (2009). Физика фотонных устройств .
  20. ^ JK Peterson (2002). Иллюстрированный словарь волоконной оптики . Taylor & Francis. ISBN 9780849313493.
  21. ^ Сода, Харухиса и др. (1979). «GaInAsP/InP поверхностно-излучающие инжекционные лазеры». Японский журнал прикладной физики . 18 (12): 2329– 2330. Bibcode : 1979JaJAP..18.2329S. doi : 10.1143/JJAP.18.2329. S2CID  122958383.
  22. ^ Кояма, Фумио и др. (1988). «Непрерывная работа лазера с вертикальным резонатором GaAs при комнатной температуре». Trans. IEICE . E71 (11): 1089–1090 .
  23. ^ Кристенсен, Д. Х.; Барнс, Ф. С. (февраль 1987 г.). "Лазер с вертикальным резонатором и поверхностным излучением в эпитаксиальном молекулярном пучке GaAs/AlGaAs с использованием многослойного диэлектрического зеркала". Тематическая встреча по полупроводниковым лазерам, Технический сборник . 6. Оптическое общество Америки: WA7-1. doi :10.1364/SLA.1987.WA7. ISBN 0-936659-39-4. S2CID  257137192.
  24. ^ Jewell, JL; Scherer, A.; McCall, SL; Lee, YH; Walker, S.; Harbison, JP; Florez, LT (август 1989). "Низкопороговые электрически накачиваемые вертикальные резонаторы поверхностно-излучающие микролазеры". Electronics Letters . 25 (17): 1123– 1124. Bibcode : 1989ElL....25.1123J. doi : 10.1049/el:19890754. S2CID  111035374.
  25. ^ Ли, YH; Джуэлл, JL; Шерер, A.; Макколл, SL; Харбисон, JP; Флорез, LT (сентябрь 1989 г.). "Комнатнотемпературные непрерывные вертикальные одноквантовые микролазерные диоды" (PDF) . Electronics Letters . 25 (20): 1377– 1378. Bibcode :1989ElL....25.1377L. doi :10.1049/el:19890921.
  26. ^ ab Towe, Elias; Leheny, Robert F.; Yang, Andrew (декабрь 2000 г.). «Историческая перспектива развития вертикально-резонаторного поверхностно-излучающего лазера». IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics . 6 (6): 1458– 1464. Bibcode : 2000IJSTQ...6.1458T. doi : 10.1109/2944.902201. S2CID  46544782.
  • Длинноволновые поверхностно-излучающие лазеры: Введение
  • Руководство Бритни по физике полупроводников: VCSEL
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Vertical-cavity_surface-emitting_laser&oldid=1248825473"