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不仅是红外VCSEL,蓝绿光VCSEL也值得期待!

2019-07-10 10:50
来源: 微迷网

随着新型反射镜和激励电流注入方式的改进,一种优质氮化物激光器正处于商业化的风口浪尖。

激光器最有价值的特性是什么?有些人可能倾向于效率,这样今后就可以避免无法使用电池的困扰了;有些人可能更倾向于快速开启和关闭的功能,从而实现大量的数据传输;也有人重视圆形发射轮廓,简化光束聚焦;甚至还有人认为最重要的是能够与低成本、大批量生产相兼容。

能够满足以上所有要求甚至更多的激光器一定是VCSEL(垂直腔面发射激光器)了。据麦姆斯咨询介绍,VCSEL的概念于1977年由东京工业大学的伊贺健一(Kenichi Iga)首次提出,因其温度稳定性和阈值电流极低而闻名。市面上比较常见的同类产品如边缘发射激光器,主要用于CD和蓝光播放器、远程光纤网络以及焊接和切割设备,几乎无法满足上述所提及的特性要求,电子制造商们已注意到这一点。即使你没有听说过VCSEL,你身边也很有可能存着着它们:如iPhone X的三颗VCSEL芯片在人脸识别系统中起着关键作用。在3D人脸识别(Face ID)成为杀手级应用之前,数据中心将VCSEL部署在短距离数据通信,成为VCSEL的最大市场。当然,这两个领域都有助于推动VCSEL增长。Yole在《VCSEL市场与技术趋势-2019版》中提到,2018年VCSEL整体市场规模达到了7.38亿美元,到2024年将增至37.75亿美元。

不仅是红外VCSEL,蓝绿光VCSEL也值得期待!

图1:2018年和2024年VCSEL市场规模预测

(来源:《VCSEL市场与技术趋势-2019版》)

不过,如果VCSEL能够扩大光谱范围,需求量可能会更高。如今市面上商业化的产品也仅限于红光激光器和红外激光器。如果VCSEL发射蓝光和绿光,就能够用于高分辨率打印、高密度光学数据存储以及生化传感等领域。更重要的是,红光、绿光和蓝光VCSEL的结合使这些芯片用于全色显示和照明成为可能。尽管VCSEL的输出功率要求因应用而异,但一般为10mW,该功率足以用于增强现实(AR)设备、投影系统和显示器等。好消息是,经过十多年来行业研究和学术实验的努力,加上器件结构和制造工艺的创新,蓝光VCSEL现已达到这一基准。

蓝光VCSEL获取之路

鉴于红外和红光VCSEL的成功,开发蓝光和绿光同类产品,其“显而易见”的途径是在改变波长的同时,尽可能多地保留原有设计。不幸的是,这条“显而易见”的道路却埋伏着诸多阻碍。

不仅是红外VCSEL,蓝绿光VCSEL也值得期待!

图2:(a)在EEL中,发射的光束呈椭圆形,因此聚焦和操纵光束更具挑战性。

(b)相比之下,VCSEL从结构顶部发射的光束则呈圆形输出轮廓。

激光器的核心是谐振腔,激光在腔体内产生,通过受激辐射实现光的放大。该腔体由一对反射镜(即顶部反射镜和底部反射镜)隔开,提供光反馈,这是产生激光的先决条件。VCSEL中的谐振腔只有几微米厚,腔长极短,比传统的EEL的谐振腔厚度薄数百倍(图2a)。如此短的腔体使得VCSEL能够快速地开启和关闭,但缺点是需要高反射率的反射镜才能产生激光。

红外和红光VCSEL的工艺制程首先采用砷化镓(GaAs)晶圆,并在其上交替生长GaAs层和(取决于激光的发射波长)砷化铝(AlAs)层或合金铝砷化镓(AlGaAs)层。该叠层充当第一反射镜叠层。接下来,生长发光区域的谐振腔,再完成第二反射镜叠层(图2b)。为了精确定义光从VCSEL发出的位置,通过从外到内选择性氧化顶部反射镜下方的富铝层来形成圆孔。这个过程将一直持续到只剩下一个直径为几微米的未氧化孔。由于此孔是该层唯一能通过电流的部分,因此导致局部电流密度上升,足以支持发射激光。

必须要注意到VCSEL结构的细节是反射镜叠层中的每一层的厚度必须等于激光波长的四分之一。这一要求(以及当光从具有较高折射率材料的界面反射时发生的π相变)确保了不管反射镜的哪个部分提供反射,所有返回到腔体的光都具有相同的相位。相长干涉支持VCSEL的激光发射。在这方面,GaAs与AlGaAs或AlAs的配对相对来说是比较好的,因为材料的折射率截然不同。这意味着在反射镜内各种不同材料的界面上存在大量反射,每面反射镜大约有20对左右GaAs/AlGaAs或GaAs/AlAs异质薄层,足以反射99%的光。

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