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

Схема простой структуры VCSEL.

В лазер с поверхностным излучением с вертикальным резонатором, или же VCSEL /ˈvɪksəl/, это тип полупроводник лазерный диод с лазер Луч испускается перпендикулярно верхней поверхности, в отличие от обычных полупроводниковых лазеров с торцевым излучением (также в самолете лазеры), которые испускаются с поверхностей, образованных путем выколотки отдельного чипа из вафля. VCSEL используются в различных лазерных изделиях, в том числе компьютерные мыши, волоконно-оптическая связь, лазерные принтеры, Face ID,[1] и умные очки.[2]

Преимущества производства

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 связи между слоями схемы, не были полностью очищены от диэлектрик 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 трехдюймовом устройстве. арсенид галлия вафля. Кроме того, даже несмотря на то, что процесс производства VCSEL является более трудоемким и материалоемким, выход можно контролировать для достижения более предсказуемого результата.

Структура

Реалистичная структура устройства VCSEL. Это низкоизлучающий многоквантовая яма VCSEL.

Резонатор лазера состоит из двух распределенный брэгговский отражатель (DBR) зеркала параллельно поверхности пластины с активная область состоящий из одного или нескольких квантовые ямы 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 лазерах VCSEL верхнее и нижнее зеркала легированы как р-тип и n-тип материалы, образующие диод соединение. 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 быть накачанный от внешнего источника света с более коротким длина волны, обычно другой лазер. 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 арсенид алюминия-галлия (AlИксGa(1-Икс)В качестве). Система GaAs – AlGaAs предпочтительна для построения VCSEL, поскольку постоянная решетки материала не сильно меняется при изменении состава, что позволяет многократно "согласовать решетку" эпитаксиальный слоев для выращивания на подложке GaAs. Тем не менее показатель преломления Содержание 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 такую ​​же мощность».[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.

Устройства с большей длиной волны, от 1300 до 2000 нм, были продемонстрированы, по крайней мере, с активной областью, сделанной из фосфид индия. VCSEL на еще более высоких длинах волн являются экспериментальными и обычно имеют оптическую накачку. VCSEL 1310 нм желательны в качестве дисперсии на основе диоксида кремния. оптоволокно в этом диапазоне длин волн минимальна.

Особые формы

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 (п+п+), электрически выгодный н-н+п+-штырь может быть создана конфигурация, которая также может благотворно влиять на другие структурные элементы (например, в виде Закопанный туннель (BTJ)).
Настраиваемые VCSEL с микромеханически подвижными зеркалами (МЭМС )
(либо оптически [4] или с электрическим насосом [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)
VECSEL имеют оптическую накачку с помощью обычных лазерных диодов. 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

Поскольку VCSEL излучают с верхней поверхности чипа, их можно протестировать. на вафле, прежде чем они будут разделены на отдельные устройства. Это снижает изготовление стоимость устройств. Это также позволяет строить VCSEL не только в одномерном, но и в двухмерном массивы.

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

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. Одиночные устройства с большой апертурой мощностью около 100 мВт были впервые описаны в 1993 году.[9] Усовершенствования в эпитаксиальном росте, обработке, дизайне устройства и упаковке привели к тому, что к 1998 году отдельные VCSEL с большой апертурой излучали несколько сотен милливатт.[10] В 1998 году также сообщалось о работе в непрерывном режиме (CW) мощностью более 2 Вт при температуре радиатора -10 градусов Цельсия от массива VCSEL, состоящего из 1000 элементов, что соответствует удельной мощности 30 Вт / см.2.[11] В 2001 году было сообщено о более чем 1 Вт мощности в непрерывном режиме и 10 Вт в импульсном режиме при комнатной температуре от 19-элементной матрицы.[12] Микросхема массива VCSEL была установлена ​​на алмаз теплораспределитель, используя преимущества очень высокого теплопроводность. Рекордная выходная мощность в непрерывном режиме в 3 Вт была зафиксирована 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] представляет собой существенный прорыв в области высокомощных VCSEL. Достигнутый высокий уровень мощности в основном был достигнут за счет улучшения эффективность розетки и упаковка. В 2009 г. уровни мощности> 100 Вт были зарегистрированы для массивов VCSEL, излучающих около 808 нм.[15]

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

Приложения

История

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 Суэмацу,[20] но устройства для CW О работе при комнатной температуре не сообщалось до 1988 г.[21] Термин VCSEL был введен в обращение в публикации Оптическое общество Америки в 1987 г.[22] В 1989 году Джек Джуэлл возглавил сотрудничество Bell Labs / Bellcore (включая Аксель Шерер, Сэм МакКолл, Йонг Хи Ли и Джеймс Харбисон), которые продемонстрировали более 1 миллиона VCSEL на небольшом чипе.[23][24] Эти первые полностью полупроводниковые лазеры 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 вышло еще несколько исследовательских групп, и вскоре со всего мира стали поступать сообщения о многих важных инновациях».[25] Эндрю Янг 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 Гигабитный Ethernet и Fibre Channel, и теперь используются для пропускной способности канала от 1 гигабит / сек до> 400 гигабит / сек.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Extance, Энди (9 апреля 2018 г.). «Лица загораются над перспективами VCSEL». SPIE.
  2. ^ Бон, Дитер (5 февраля 2018 г.). «Intel сделала умные очки, которые выглядят нормально». Грани.
  3. ^ http://photonicssociety.org/newsletters/aug99/article6.htm
  4. ^ В. Джаяраман, Дж. Цзян, Б. Потсайд, Г. Коул, Дж. Фудзимото и Алекс Кейбл «Дизайн и характеристики широко настраиваемых, узких линий и высокой частоты повторения 1310 нм VCSEL для оптической когерентной томографии с разверткой», документ SPIE, том 8276 82760D, 2012
  5. ^ К. Гирл, Т. Груендл, П. Дебернарди, К. Зогал, К. Грасс, Х. Давани, Г. Бём, С. Ятта, Ф. Кюпперс, П. Мейснер и М. Аманн, "Настраиваемый с микромашинной обработкой поверхности 1.55 µm-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. Фуджимото и В. Джаяраман, «Широкополосная электронно-накачиваемая 1050-нм МЭМС-настраиваемая VCSEL для офтальмологических изображений ”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, «MEMS-VCSEL 1310 нм с высокой скоростью развертки и диапазоном непрерывной настройки 150 нм», Electronics Letters, vol. 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. Дои:10.1109/2944.902168.
  9. ^ Peters, F .; 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. Дои: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. 10 (8): 1061–1063. Bibcode:1998IPTL ... 10.1061G. Дои:10.1109/68.701502.
  11. ^ Francis, 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. Дои:10.1049 / el: 19981517.
  12. ^ Miller, M .; М. Грабхерр; Р. Ягер; К. Эбелинг (март 2001 г.). «Мощные массивы VCSEL для излучения в ваттном режиме при комнатной температуре». Письма IEEE Photonics Technology. 13 (3): 173–175. Bibcode:2001IPTL ... 13..173M. Дои:10.1109/68.914311.
  13. ^ D’Asaro, L.A .; Дж. Серен и Дж. Винн (февраль 2005 г.). «Мощные и высокоэффективные VCSEL преследуют цель». Фотонные спектры. 39 (2): 62–66.
  14. ^ Seurin, J-F .; Л. А. Д’Асаро; К. Гош (июль 2007 г.). «Новое приложение для лазеров VCSEL: мощные лазеры накачки». Фотонные спектры. 41 (7).
  15. ^ Seurin, J-F .; Г. Сюй; В. Хальфин; А. Мигло; Дж. Д. Винн; П. Прадхан; К. Л. Гош; Л. А. Д'Азаро (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. Дои:10.1117/12.808294.
  16. ^ Van Leeuwen, R .; Seurin, J-F .; Xu, G .; Гош, К. (февраль 2009 г.). «Мощные импульсные внутрирезонаторные лазерные решетки с двойным вертикальным расширенным резонатором с двойной частотой». Труды SPIE, Твердотельные лазеры XVIII: Технология и устройства. Твердотельные лазеры XVIII: Технология и устройства. 7193: 771931D – 1–9. Дои:10.1117/12.816035.
  17. ^ Эли Капон (1998). Полупроводниковые лазеры II: материалы и конструкции. ISBN  9780080516967.
  18. ^ Шунь Лиен Чуанг (2009). Физика фотонных устройств.
  19. ^ J.K. 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. Дои: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. ^ Christensen, D. H .; 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 дайджест. Оптическое общество Америки. 6: WA7-1. ISBN  0-936659-39-4.
  23. ^ Jewell, J.L .; Scherer, A .; McCall, S.L .; Lee, Y.H .; Уокер, S .; Harbison, J.P .; Флорез, Л. (Август 1989 г.). "Низкопороговые поверхностно-излучающие микролазеры с вертикальным резонатором и электрической накачкой". Письма об электронике. 25 (17): 1123–1124. Дои:10.1049 / el: 19890754.
  24. ^ Lee, Y.H .; Jewell, J.L .; Scherer, A .; McCall, S.L .; Harbison, J.P .; Флорез, Л. (Сентябрь 1989 г.). «Одноквантовые микролазерные диоды с вертикальным резонатором и непрерывным излучением при комнатной температуре» (PDF). Письма об электронике. 25 (20): 1377–1378. Дои:10.1049 / el: 19890921.
  25. ^ а б Тоу, 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. Дои:10.1109/2944.902201.

внешняя ссылка