垂直腔面发射激光器 vertical cavity surface-emitting lasers

2022-10-21 15:03:42 浏览:270

定义

一种单片半导体激光器,光束发射垂直于晶圆表面。

VCSEL是半导体激光器,更具体地说是带有单片激光谐振器的激光二极管,其中发射的光以垂直于芯片表面的方向离开器件。谐振器(腔体)由两个半导体布拉格反射镜(→分布式布拉格反射器激光器)实现。在它们之间,有一个活动区域(增益结构),其中(通常)有几个量子阱,总厚度只有几微米。在大多数情况下,有源区域以几十毫瓦的功率进行电泵送,并产生0.5-5 mW范围内的输出功率,或多模器件的更高功率(见下文)。电流通常通过环形电极施加,通过该电极可以提取输出光束,并且使用导电(掺杂)镜面层将电流限制在谐振器模式的区域,并在其周围具有隔离材料。

图 1:VCSEL的增益结构示意图,无衬底,用于泵浦的电极,用于电流限制的结构等。

VCSEL只有在相当小的模式区域(直径为几微米)时才能具有高光束质量,因此在输出功率方面受到限制。对于较大的模式区域,无法避免高阶横向模式的激励;这是由于只有几微米的极小谐振器长度,以及用环形电极均匀泵送较大有源区域的困难。然而,短谐振器也使其易于实现单频操作,甚至与一些波长可调性相结合。此外,VCSEL可以用高频调制,使其可用于光纤通信(见下文)。

除了低功耗VCSEL的高光束质量外,一个重要方面是与边缘发射激光二极管相比的近光束发散和对称光束轮廓。这使得使用简单的透镜可以很容易地准直输出光束,该透镜不必具有非常高的数值孔径。

VCSEL最常见的发射波长在750-980 nm(通常约为850 nm)的范围内,这是通过GaAs / AlGaAs材料系统获得的。然而,可以使用稀氮化物(GaAs上的GaInNAs量子阱)和基于磷化铟(InP上的InGaAsP)的器件获得更长的波长,例如1.3 μm,1.55 μm甚至超过2 μm(根据需要,例如气体传感)。

还有一些光学放大器与VCSEL非常相似:它们基本上是VCSEL,顶部反射率降低。请参阅有关半导体光放大器的文章。

与边缘发射半导体激光器相比,VCSEL的一个重要实际优势是,它们可以在生长后(即在晶圆被切割之前)直接进行测试和表征。这样就可以及早发现质量问题,并立即做出反应。此外,可以将VCSEL晶圆与一系列光学元件(例如准直透镜)组合在一起,然后对该复合晶圆进行切块,而不是为每个VCSEL单独安装光学元件。这允许廉价的大规模生产激光产品。

VCSEL的另一个有趣特征是,由于小平面处的光学强度大大降低,与边缘发射激光二极管相比,即使在具有大量峰值功率的后期操作中,也没有灾难性光学损坏的风险。因此,它们也可以在更高的温度下运行,这通常会增加灾难性小平面故障的风险。

无阈值激光器

已经开发了特殊的VCSEL,它们本质上是无阈值激光器。它们在这个领域很有趣,因为它们允许利用与腔体改变模态密度相关的量子效应。使用这种技术,已经证明了阈值电流仅为36 μA[3]

断续器阵列

VCSEL阵列可以产生更高的功率。包含数千个发射器(间距约为数十微米)的2-D VCSEL阵列可以发射数十或数百瓦的连续波,从而与二极管条竞争。原则上,输出功率可以通过增加发射器的数量来简单地放大(“功率缩放”),但光束质量通常会大大降低。然而,也有一些方法可以协调阵列的所有VCSEL的发射(使其相干),这导致更好的光束质量并相应地增加辐射度,尽管功率转换效率有所下降。

与传统的边缘发射激光二极管相比,VCSEL阵列通常具有略低的功率转换效率,但对于应用而言,可能具有实质性的优势,例如光束整形光学器件的简化甚至照明,发射线宽小,波长稳定性更高以及操作后的巨大峰值功率潜力。

有关更多详细信息,请参阅有关 VCSEL 阵列的文章。

与其他激光器类型的比较

对于具有单模发射的更高输出功率,可以使用垂直外腔表面发射激光器(VECSEL)。然而,这些通常需要通过光泵浦来实现,并且它们不那么紧凑。

另一种可能性是使用光子晶体表面发射激光器(PCSEL)。这也可以具有更大的有效面积,因此输出功率更高,同时仍然表现出稳定的单模操作。这种设备也可以电动泵送,并且可以相当高效。

应用

VCSEL 有许多应用,其中最重要的应用将在下面简要讨论:

光通信

由于谐振器往返时间短,VCSEL可以在千兆赫兹范围内的频率下进行调制。这使得它们可用作光纤通信和自由空间光通信的发射器。对于短距离通信,850 nm VCSEL 与多模光纤结合使用。例如,在几百米的距离内可以达到10 Gbit / s的数据速率。

电脑鼠标

后来开发但已经获得大量市场量的应用领域是计算机鼠标。以VCSEL为光源的激光鼠标可以具有高跟踪精度和低功耗,这对于电池供电设备非常重要。

气体传感

另一个突出的应用领域是使用波长可调红外VCSEL进行气体传感。例如,这些器件被构建为MEMS VCSEL,具有单独的输出耦合镜,其位置可以通过热膨胀、静电力或压电元件进行调整。在这一领域,VCSEL部分与分布式反馈激光器(DFB激光器)竞争,但提供更小的驱动电流,更宽的调谐范围和更高的调制速度。

光学氧传感器特别重要,因为基于GaAs的VCSEL可以到达760nm处的吸收线,而可用于检测水蒸气,甲烷或二氧化碳的较长波长VCSEL在广泛使用之前需要进一步开发。

光学时钟

VCSEL也可用于微型光学时钟,其中激光束探测铯蒸气中的原子跃迁。这样的时钟可以成为紧凑型GPS设备的一部分。

激光泵浦

由于其高输出功率,VCSEL阵列通常可以与二极管条竞争(部分甚至与二极管堆栈竞争),例如用于泵浦固态激光器。

激光器

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