✖


Jump to content

Лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором

Схема простой структуры VCSEL.

VCSEL Лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором ( . / ˈ v ɪ k s əl / ) представляет собой тип полупроводникового лазерного диода с излучением лазерного луча перпендикулярно верхней поверхности, в отличие от обычных полупроводниковых лазеров с краевым излучением (также плоскостных лазеров) ), которые излучаются с поверхностей, образованных в результате вырезания отдельного чипа из пластины . VCSEL используются в различных лазерных продуктах, включая компьютерные мыши , оптоволоконные средства связи , лазерные принтеры , Face ID , [1] и умные очки . [2]

Преимущества производства

[ редактировать ]

Производство VCSEL имеет несколько преимуществ по сравнению с процессом производства лазеров с краевым излучением. Краевые излучатели не могут быть проверены до окончания производственного процесса. Если краевой излучатель не работает должным образом из-за плохих контактов или плохого качества роста материала, время производства и материалы для обработки были потрачены впустую. Однако VCSEL можно тестировать на нескольких этапах 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, процесс промежуточного тестирования покажет, что верхний металлический слой не контактирует с первоначальным металлическим слоем. Кроме того, поскольку VCSEL излучают луч перпендикулярно активной области лазера, а не параллельно, как при краевом излучателе, десятки тысяч VCSEL могут обрабатываться одновременно на трехдюймовой пластине арсенида галлия . Таким образом, хотя процесс производства VCSEL более трудоемкий и материалоемкий, выход можно контролировать для достижения более предсказуемого и более высокого результата. [3]

Структура

[ редактировать ]
Реалистичная структура устройства VCSEL. Это с нижней эмиссией VCSEL с несколькими квантовыми ямами .

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 ДБР-зеркала состоят из слоев с чередующимися высокими и низкими показателями преломления. Каждый слой имеет толщину четверти длины волны лазера в материале, что обеспечивает коэффициент отражения интенсивности выше 99%. В VCSEL необходимы зеркала с высокой отражательной способностью, чтобы сбалансировать короткую осевую длину области усиления.

В обычных 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 потребует более сложного полупроводникового процесса для установления электрического контакта с активной областью, но устраняет потери электрической энергии в структуре DBR.

При 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 применений.

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 предпочтительна для создания VCSEL, поскольку постоянная решетки материала не сильно меняется при изменении состава, что позволяет несколько эпитаксиальных выращивать на подложке GaAs слоев с «согласованной решеткой». Однако показатель преломления AlGaAs относительно сильно меняется по мере увеличения доли Al, что сводит к минимуму количество слоев, необходимых для формирования эффективного брэгговского зеркала, по сравнению с другими возможными системами материалов. 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 ВИЛ характеризуются двумя типами: ионно-имплантированные ВИЛ и оксидные ВИЛ.

В начале 1990-х годов телекоммуникационные компании отдавали предпочтение VCSEL с ионной имплантацией. Ионы (часто ионы водорода, H+) были имплантированы в структуру VCSEL повсюду, кроме апертуры VCSEL, разрушая структуру решетки вокруг апертуры и тем самым подавляя ток. В середине-конце 1990-х годов компании перешли к технологии оксидных VCSEL. Ток удерживается в оксидном VCSEL за счет окисления материала вокруг апертуры VCSEL. Слой с высоким содержанием алюминия, выращенный внутри структуры VCSEL, является окисленным слоем. В оксидных VCSEL также часто используется этап производства ионного имплантата. В результате в оксидном VCSEL путь тока ограничивается ионным имплантатом и оксидной апертурой.

Первоначальное принятие оксидных VCSEL было связано с опасениями по поводу «выскакивания» апертур из-за деформации и дефектов окислительного слоя. Однако после долгих испытаний надежность конструкции оказалась высокой. Как говорится в одном исследовании Hewlett Packard по оксидным VCSEL: «Результаты стресса показывают, что энергия активации и срок службы оксидного VCSEL аналогичны таковым у имплантированного VCSEL, излучающего 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 незначительное изменение в алюминии могло изменить скорость окисления, что иногда приводило 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 фосфида индия . VCSEL на еще более высоких длинах волн являются экспериментальными и обычно имеют оптическую накачку. Желательны VCSEL с длиной волны 1310 нм, поскольку дисперсия оптического волокна на основе диоксида кремния минимальна в этом диапазоне длин волн.

Специальные формы

[ редактировать ]
Несколько устройств активной области (так называемые биполярные каскадные VCSEL)
Позволяет получить дифференциальные значения квантовой эффективности, превышающие 100%, за счет переработки носителей.
VCSEL с туннельными переходами
Использование туннельного перехода (n + п + ), электрически выгодный nn + п + Конфигурация -pin может быть построена так, что она также может благотворно влиять на другие элементы конструкции (например, в форме подземного туннельного соединения (BTJ)).
Перестраиваемые VCSEL с микромеханически подвижными зеркалами ( MEMS )
(либо оптически [5] или с электрической накачкой [6] [7] )
VCSEL на основе пластин или сплавленных пластин
Комбинация полупроводниковых материалов, которые можно изготовить с использованием различных типов подложек. [8]
Монолитные VCSEL с оптической накачкой
Два VCSEL друг над другом. Один из них оптически накачивает другой.
VCSEL с продольно встроенным 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 резонаторами (VECSEL)
VECSEL имеют оптическую накачку обычными лазерными диодами. Такое расположение 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 и синхронизацию моделей 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 (были продемонстрированы устройства с оптической накачкой 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 полосой пропускания (десятки ГГц) и могут быть реализованы как усиливающие фильтры.

Характеристики

[ редактировать ]

Поскольку излучения VCSEL исходят от верхней поверхности чипа, их можно протестировать 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 VCSEL по сравнению с большинством лазеров с торцевым излучением обеспечивает меньший угол расхождения выходного луча и обеспечивает высокую эффективность связи с оптическими волокнами.

Небольшая активная область по сравнению с лазерами с торцевым излучением снижает пороговый ток VCSEL, что приводит к низкому энергопотреблению. Однако на данный момент VCSEL имеют меньшую мощность излучения по сравнению с лазерами с краевым излучением. Низкий пороговый ток также обеспечивает широкую полосу модуляции в VCSEL. [9]

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

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

Мощные VCSEL

[ редактировать ]

Мощные лазеры поверхностного излучения с вертикальным резонатором также могут быть изготовлены либо путем увеличения размера излучающей апертуры одного устройства, либо путем объединения нескольких элементов в большие двумерные (2D) массивы. Сообщений об исследованиях мощных VCSEL было относительно немного. Впервые об одиночных устройствах с большой апертурой и мощностью около 100 мВт было сообщено в 1993 году. [10] Улучшения в эпитаксиальном выращивании, обработке, конструкции устройств и упаковке привели к тому, что к 1998 году отдельные VCSEL с большой апертурой излучали несколько сотен милливатт. [11] В 1998 году также сообщалось о работе непрерывной волны (CW) мощностью более 2 Вт при температуре радиатора -10 градусов по Цельсию от массива VCSEL, состоящего из 1000 элементов, что соответствует плотности мощности 30 Вт / см. 2 . [12] В 2001 году сообщалось о мощности непрерывного излучения более 1 Вт и импульсной мощности 10 Вт при комнатной температуре от массива из 19 элементов. [13] Чип матрицы VCSEL был установлен на алмазном алмаза теплоотводе, что позволило воспользоваться преимуществами очень высокой теплопроводности . В 2005 году было сообщено о рекордной выходной мощности непрерывного излучения в 3 Вт от одиночных устройств большого диаметра, излучающих около 980 нм. [14]

В 2007 году сообщалось о выходной мощности непрерывного излучения более 200 Вт от большой (5 × 5 мм) матрицы 2D VCSEL, излучающей на длине волны около 976 нм. [15] представляет собой существенный прорыв в области мощных VCSEL. Достигнутый высокий уровень мощности был достигнут главным образом за счет улучшения сетевой розетки эффективности и упаковки . В 2009 году сообщалось об уровнях мощности > 100 Вт для матриц VCSEL с длиной волны излучения около 808 нм. [16]

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

Приложения

[ редактировать ]

История

[ редактировать ]

О поверхностной эмиссии объемного полупроводника при сверхнизкой температуре и удержании магнитных носителей сообщил Иварс Мелнгайлис в 1965 году. [18] [19] [20] Первое предложение VCSEL с коротким резонатором было сделано Кеничи Игой из Токийского технологического института в 1977 году. Простое изображение его идеи показано в его исследовательской записке. В отличие от обычных полупроводниковых лазеров Фабри-Перо с краевым излучением, его изобретение содержит короткий лазерный резонатор, составляющий менее 1/10 от лазеров с краевым излучением, вертикальных по отношению к поверхности пластины. провели первую демонстрацию VCSEL с коротким резонатором В 1979 году Сода, Ига, Китахара и Суэмацу . [21] но об устройствах для работы в непрерывном режиме при комнатной температуре не сообщалось до 1988 года. [22] Термин VCSEL был придуман в публикации Оптического общества Америки в 1987 году. [23] В 1989 году Джек Джуэлл возглавил совместную работу Bell Labs и Bellcore (включая Акселя Шерера , Сэма Макколла, Йонг Хи Ли и Джеймса Харбисона), которая продемонстрировала более 1 миллиона VCSEL на небольшом чипе. [24] [25] Эти первые полностью полупроводниковые лазеры VCSEL имели другие конструктивные особенности, которые до сих пор используются во всех коммерческих VCSEL. «Эта демонстрация стала поворотным моментом в развитии лазера поверхностного излучения. В эту область вошли еще несколько исследовательских групп, и вскоре со всего мира стало известно о многих важных инновациях». [26] Эндрю Янг из Агентства перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) быстро инициировал значительное финансирование исследований и разработок VCSEL, за которым последовали другие усилия по финансированию со стороны правительства и промышленности. [26] VCSEL заменили лазеры с краевым излучением в приложениях для оптоволоконной связи ближнего действия, таких как Gigabit Ethernet и Fibre Channel , и теперь используются для пропускной способности каналов от 1 до 400 гигабит в секунду или выше.

См. также

[ редактировать ]

Ссылки

[ редактировать ]
  1. ^ Экстанс, Энди (9 апреля 2018 г.). «Лица светлеют от перспектив VCSEL» . ШПИОН .
  2. ^ Бон, Дитер (5 февраля 2018 г.). «Intel создала умные очки, которые выглядят нормально» . Грань .
  3. ^ SEO_INPHENIX (24 сентября 2021 г.). «Введение в VCSEL: принципы работы и характеристики» . ИНФЕНИКС . Проверено 21 декабря 2023 г.
  4. ^ Лей, К.; Дэн, Х.; Дадли, Джей-Джей; Лим, Сан-Франциско; Лян, Б.; Ташима, М.; Херрик, RW (1999). «Производство оксидного VCSEL в Hewlett Packard». Дайджест летних тематических встреч LEOS 1999 года: наноструктуры и квантовые точки/компоненты WDM/VCSEL и микрополости/радиочастотная фотоника для систем кабельного телевидения и HFC (кат. № 99TH8455) . Общество фотоники IEEE . стр. III11–III12. дои : 10.1109/LEOSST.1999.794691 . ISBN  0-7803-5633-0 . S2CID   39634122 . Архивировано из оригинала 10 ноября 2016 года . Проверено 3 июня 2021 г.
  5. ^ В. Джаяраман, Дж. Цзян, Б. Потсаид, Г. Коул, Дж. Фудзимото и Алекс Кейбл «Проектирование и характеристики широко настраиваемых, узкой ширины линии и высокой частоты повторения VCSEL 1310 нм для оптической когерентной томографии с качающимся источником», том SPIE 8276 бумага 82760Д, 2012 г.
  6. ^ К. Герл, Т. Грюндль, П. Дебернарди, К. Зогал, К. Грасс, Х. Давани, Г. Бём, С. Ятта, Ф. Купперс, П. Мейснер и М. Аманн, «Поверхностная микромеханическая перестраиваемая 1,55 мкм-VCSEL с непрерывной одномодовой настройкой 102 нм», Opt. Экспресс 19, 17336-17343 2011 г.
  7. ^ Д. Д. Джон, К. Бургнер, Б. Потсаид, М. Робертсон, Б. Ли, У. Дж. Чой, А. Кейбл, Дж. Фудзимото и В. Джаяраман, «Широкополосный MEMS-настраиваемый VCSEL с электрической накачкой, 1050 нм для офтальмологической визуализации» ", Джнл. Lightwave Tech., вып. 33, нет. 16, стр. 3461–3468, февраль 2015 г.
  8. ^ В. Джаяраман, Г. Д. Коул, М. Робертсон, А. Уддин и А. Кейбл, «МЭМС-VCSEL 1310 нм с высокой скоростью развертки и диапазоном непрерывной настройки 150 нм», Electronics Letters, vol. 48, нет. 14, стр. 867–869, 2012.
  9. ^ Ига, Кеничи (2000). «Лазер поверхностного излучения — его рождение и генерация новой области оптоэлектроники». Журнал IEEE по избранным темам квантовой электроники . 6 (6): 1201–1215. Бибкод : 2000IJSTQ...6.1201I . дои : 10.1109/2944.902168 . S2CID   10550809 .
  10. ^ Питерс, Ф.; М. Питерс; Д. Янг; Дж. Скотт; Б. Тибо; С. Корзин; Л. Колдрен (январь 1993 г.). «Мощные лазеры поверхностного излучения с вертикальным резонатором». Электронные письма . 29 (2): 200–201. Бибкод : 1993ElL....29..200P . дои : 10.1049/эл:19930134 .
  11. ^ Грабхерр, М.; Р. Джагер; М. Миллер; К. Тальмайер; Дж. Херлейн; Р. Михальзик; К. Эбелинг (август 1998 г.). «VCSEL с нижним излучением для высокой выходной оптической мощности непрерывного излучения». Письма IEEE Photonics Technology . 10 (8): 1061–1063. Бибкод : 1998IPTL...10.1061G . дои : 10.1109/68.701502 . S2CID   22839700 .
  12. ^ Фрэнсис, Д.; Чен, Х.-Л.; Юэнь, В.; Ли, Г.; Чанг-Хаснайн, К. (октябрь 1998 г.). «Монолитная матрица 2D-VCSEL с непрерывной выходной мощностью> 2 Вт и импульсной выходной мощностью> 5 Вт». Электронные письма . 34 (22): 2132–2133. Бибкод : 1998ElL....34.2132F . дои : 10.1049/эл:19981517 .
  13. ^ Миллер, М.; М. Грабхерр; Р. Джагер; К. Эбелинг (март 2001 г.). «Мощные матрицы VCSEL для излучения в ваттном режиме при комнатной температуре». Письма IEEE Photonics Technology . 13 (3): 173–175. Бибкод : 2001IPTL...13..173M . дои : 10.1109/68.914311 . S2CID   22964703 .
  14. ^ Д'Асаро, Луизиана; Дж. Сёрин и Дж. Винн (февраль 2005 г.). «Мощные и высокоэффективные VCSEL преследуют эту цель» . Фотонные спектры . 39 (2): 62–66.
  15. ^ Сёрин, Дж. Ф.; Л.А. Д'Асаро; К. Гош (июль 2007 г.). «Новое применение VCSEL: мощные лазеры накачки» . Фотонные спектры . 41 (7).
  16. ^ Сёрин, 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. ^ Ван Леувен, Р.; Сёрин, Дж. Ф.; Сюй, Г.; Гош, К. (февраль 2009 г.). Кларксон, В. Эндрю; Ходжсон, Норман; Шори, Рамеш К. (ред.). «Мощная импульсная внутрирезонаторная частота с удвоенной вертикальной синей лазерной решеткой с расширенным резонатором». Труды SPIE, Твердотельные лазеры XVIII: Технологии и устройства . Твердотельные лазеры XVIII: Технологии и устройства. 7193 : 771931D–1–9. Бибкод : 2009SPIE.7193E..1DV . дои : 10.1117/12.816035 . S2CID   21109187 .
  18. ^ Эли Капон (1998). Полупроводниковые лазеры II: материалы и структуры . Эльзевир. ISBN  9780080516967 .
  19. ^ Шунь Лиен Чуан (2009). Физика фотонных устройств .
  20. ^ Дж. К. Петерсон (2002). Иллюстрированный словарь по волоконной оптике . Тейлор и Фрэнсис. ISBN  9780849313493 .
  21. ^ Сода, Харухиса; и др. (1979). «Инжекционные лазеры поверхностного излучения GaInAsP / InP». Японский журнал прикладной физики . 18 (12): 2329–2330. Бибкод : 1979JaJAP..18.2329S . дои : 10.1143/JJAP.18.2329 . S2CID   122958383 .
  22. ^ Кояма, Фумио; и др. (1988). «Непрерывная работа GaAs-лазера с вертикальным резонатором при комнатной температуре». Пер. IEICE . Е71 (11): 1089–1090.
  23. ^ Кристенсен, Д.Х.; Барнс, Ф.С. (февраль 1987 г.). «Лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором в эпитаксиальной эпитаксиальной системе GaAs/AlGaAs с использованием многослойного диэлектрического зеркала». Тематическое совещание по полупроводниковым лазерам, Технический дайджест . 6 . Оптическое общество Америки: WA7-1. дои : 10.1364/SLA.1987.WA7 . ISBN  0-936659-39-4 . S2CID   257137192 .
  24. ^ Джуэлл, Дж.Л.; Шерер, А.; МакКолл, СЛ; Ли, Ю.Х.; Уокер, С.; Харбисон, JP; Флорес, LT (август 1989 г.). «Низкопороговые микролазеры поверхностного излучения с вертикальной накачкой и электрической накачкой». Электронные письма . 25 (17): 1123–1124. Бибкод : 1989ElL....25.1123J . дои : 10.1049/эл:19890754 . S2CID   111035374 .
  25. ^ Ли, Ю.Х.; Джуэлл, Дж.Л.; Шерер, А.; МакКолл, СЛ; Харбисон, JP; Флорес, LT (сентябрь 1989 г.). «Микролазерные диоды с непрерывной волной и вертикальным резонатором, работающие при комнатной температуре» (PDF) . Электронные письма . 25 (20): 1377–1378. Бибкод : 1989ElL....25.1377L . дои : 10.1049/эл:19890921 .
  26. ^ Перейти обратно: а б Тау, Элиас; Легени, 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. Бибкод : 2000IJSTQ...6.1458T . дои : 10.1109/2944.902201 . S2CID   46544782 .
[ редактировать ]
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Vertical-cavity_surface-emitting_laser&oldid=1233540799"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 7afda0a8ad8a862e164ea51c49780d2e__1720532220
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/7a/2e/7afda0a8ad8a862e164ea51c49780d2e.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Vertical-cavity surface-emitting laser - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)