《垂直腔表面发射激光器(VCSEL)论文》
vcsel文献综述
VCSEL，即垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser），是一种新型的半导体激光器。
与传统的边射激光器相比，VCSEL具有工作电流低、发射功率高、波长稳定性好等优点。
因此，在光通信、光存储、激光雷达等领域得到了广泛应用。
本文将对VCSEL的相关研究进展进行综述。
一、VCSEL的基本结构VCSEL的基本结构如图1所示，它由一个反射镜和一个半透明的输出镜组成，两者之间夹着一个活性层。
当电流通过活性层时，会产生光子并被反射镜和输出镜反复反射，最终沿着垂直于半导体表面的方向发射出去。
由于VCSEL的发射光是垂直于表面的，因此它可以方便地集成在芯片上，而不需要像传统边射激光器那样复杂的耦合结构。
二、VCSEL的制备技术目前，VCSEL的制备技术主要包括金属有机化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）和激光转移等。
MOCVD是目前最为常用的制备技术，它可以在大面积衬底上均匀生长VCSEL结构，并且可以控制材料的组成和掺杂浓度。
MBE则是一种高精度的制备技术，可以实现更加复杂的结构设计和更高的材料质量。
激光转移则是一种新兴的VCSEL制备技术，它可以将已经生长好的VCSEL结构转移到另一个晶片上，从而实现高效率、低成本的制备。
三、VCSEL的性能优化为了进一步提高VCSEL的性能，研究人员提出了很多性能优化的方法。
其中，最为有效的方法是采用光子晶体结构。
光子晶体结构可以通过调整材料的周期性排布来抑制特定波长的光在器件中传播，从而增强VCSEL的单模性能和波长选择性。
此外，还有其他一些方法，如采用高反射镜、优化输出镜结构和调节活性层厚度等方法，也可以有效地提高VCSEL的性能。
四、VCSEL的应用VCSEL由于其发射功率高、波长稳定性好等优点，在光通信、光存储、激光雷达等领域都得到了广泛应用。
在光通信领域，VCSEL 可以用于短距离高速数据传输；在光存储领域，VCSEL可以用于读写头和激光打印机等设备；在激光雷达领域，VCSEL可以用于测距和三维成像等应用。
850nm垂直腔面发射激光器布拉格反射镜的优化
850nm垂直腔面发射激光器布拉格反射镜的优化摘要：为了降低垂直腔面发射激光器（VCSEL）内部热损耗、阈值电流密度，本文利用MATLAB软件来仿真垂直腔面发射激光器的反射镜——分布式布拉格反射器（DBR）。
同时从DBR材料的选取、构成DBR周期性对数的选择、DBR反射率对VCSEL阈值电流密度的影响三个方面对DBR进行优化设计，以此来达到降低内部热损耗、降低阈值电流密度、提升器件性能的目的。
通过对DBR的研究分析，对高性能的850nm VCSEL的研制提供帮助。
关键词：垂直腔面发射激光器分布式布拉格反射器热损耗阈值电流密度1.引言垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）具有阈值电流低、动态单纵模工作、可形成二维面阵、容易得到圆对称出射光束、光纤耦合效率高、调制速率高、阵列可寻址和其他器件兼容性好等优点，是中短距离光通信的理想光源，也是当前半导体光电子器件中注目的前沿课题。
随着薄膜生长技术（MBE、MOCVD、CBE 等）的发展、器件制备技术的成熟，使得VCSEL具有良好的半导体微腔结构，从而大大降低了VCSEL器件的阈值电流，进而提升了器件的性能、提高了器件的可靠性、成本随之不断降低。
加之其便于封装和高调制带宽的特点，使得VCSEL技术在光通信、光互联、光信号处理以及光集成元件等方面有着极为广泛的应用前景。
同时，随着因特网的飞速发展，850nmVCSEL在城域网和接入网中的应用必将更加广泛[1-4]。
本文的研究重点是如何优化DBR，主要集中在DBR材料的选取、构成DBR 周期性对数的选择以及DBR反射率对VCSEL阈值电流密度的影响三个方面。
通过选择晶格失配小、折射率差值大的材料；以及仿真分析周期性对数对反射率、反射频谱以及反射率对阈值电流的影响，并以此为基础来优化DBR。
2.VCSEL的阈值公式以及DBR反射率公式2.1 VCSEL的阈值公式[5-7]（1）式中：M为量子阱的阱数，为阱宽，是电流利用系数，载流子寿命，表示有源区的载流子浓度，自发辐射系数，光的群速度，内部损耗，L为VCSEL的腔长。
垂直腔面发射激光器(VCSEL)的研究进展与应用
垂直腔面发射激光器（VCSEL）的研究进展与应用1.VCSEL的发展历史和优势半导体激光器是信息化社会最具有代表性的关键光电子器件之一，已经在许多领域得到广泛的应用，研究人员在边发射激光器( Edge Emitting Laser，EEL) 的研制过程中遇到了阵列制备工艺复杂、器件测试困难以及输出模式和波长难以控制等问题。
因此，在1977年日本东京工业大学教授Klga提出了一种VCSEL的概念，并在1979年采用GaInAsP材料体系在77K温度下首次实现脉冲输出。
VCSEL是一种在与半导体外延片垂直方向上形成光学谐振腔、发出的激光束与衬底表面垂直的半导体激光器结构。
在这样的面发射半导体激光器结构中，光的输出端和器件底端都需要反射镜，而反射镜的高反射率对降低阈值电流密度起着非常巨大的作用。
因此，人们针对高反射率的反射镜进行了各种研究，例如介质膜分布式布拉格反射镜( Distributed Bragg Reflectiors，DBR)、半导体DBR、复合反射镜以及金属膜反射镜等。
GaAs材料体系的VCSEL从1983年开始研究到1986年实现低阈值的微腔操作，这期间采用两种不同类型的膜以四分之一波长的厚度交替生长而成的DBR能实现光强反射，反射率达到了99%以上。
到了1988年VCSELs器件采用多层SiO2/TiO2介质膜DBR首次实现了850nm的室温连续激射；然而，虽然数对介质膜DBR即可实现高反射率，但是这种结构不导电且散热性差，为了改进这一状况，1986年年首次实现了AlGaAs/GaAs DBR 的VCSEL器件，由于p型AlAs/Al0.1Ga0.9AS DBR具有较高的势垒电阻，因此该器件只在n 侧使用半导体DBR，而另一侧反射镜采用Au/SiO2镜面组成。
为了改进半导体DBR的势垒电阻问题，许多研究机构进行了报道，其中代表性的器件是采用高浓度Zn 掺杂的AlAs层制备p型DBR；此外，为了避免DBR的高势垒电阻问题，VCSEL器件采用光泵浦方式工作，或者减少一侧DBR的层数和一个外部输出耦合镜相结合，实现连续输出。
少模垂直腔面发射激光器及优化台面排布的面发射激光阵列的研究
少模垂直腔面发射激光器及优化台面排布的面发射激光阵列的研究垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,VCSEL)具有许多出众的光学和电学特性,如单纵模出射,阈值电流低,发散角小,圆形光斑,稳定性高以及调制速率高等,这使得VCSEL成为3D成像,光通讯网络等应用的核心部件。
本论文主要针对850nm波段少数横模独立控制垂直腔面发射激光器以及台面排布方式经优化的980nm、808nm垂直腔面发射半导体激光阵列的器件结构设计、优化算法设计、工艺制作,性能分析及等方面进行了研究。
本论文主要研究内容和成果如下:1、对于光纤通信领域中的模式复用技术,我们充分利用VCSEL的横向尺度比较大这一特点,提出一种新型的,更加经济的少模VCSEL光源,以实现少数横模以及偏振独立控制输出,有望简化甚至免除模式复用系统中复杂的复用光路或复用器,同时可以省去VCSEL阵列光源的使用。
我们采取了直接刻蚀沟道对台面进行分割的方法,实现了横模独立控制这一功能,其原理是:大氧化孔径的VCSEL可以同时支持多个模式出射。
因此,可以对VCSEL台面进行分割,形成若干个作为光波导的次台面,并在每个次台面上生长电极,每个电极独立加电时,电流将只通过对应的次台面进入到有源区。
因此,在单个次台面下的对应的区域,将有一个载流子集中分布区(激射区),激光只从该区域出射。
同时,沟道中是折射率远小于GaAs的空气,因此可以对单个次台面出射的光有光场限制的作用。
2、使用COMSOL Multiphysics科学计算软件,模拟了经沟道分割的VCSEL的电流传输及分布情况。
研究了不同尺寸的氧化孔径以及不同宽度和深度的沟道对有源区电流分布的影响。
模拟结果与设想一样,台面分割造成的极不均匀的电流密度分布,而氧化孔径尺寸比起沟道尺寸对电流密度分布的不均匀度的影响更明显。
同时,对单个次台面进行模式分析,结果表明激射区的大小决定了所能激发的激光模式数量,激射区的形状决定了出射模式的形状,而激射区的方向决定了出射模式的偏振方向。
vcsel的封装工艺
vcsel的封装工艺VCSEL是垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）的简称，是一种新型的激光器封装工艺。
VCSEL的封装工艺在光通信、光传感、3D感测等领域得到广泛应用。
本文将从VCSEL的封装工艺的定义、封装过程、封装工艺的发展等方面进行探讨。
一、VCSEL封装工艺的定义VCSEL的封装工艺是将VCSEL芯片封装到封装基座中，以保护芯片并便于连接和使用。
封装工艺的好坏直接影响到VCSEL的性能和可靠性。
目前常见的VCSEL封装工艺有TO封装、CAN封装、C-Mount封装等。
二、VCSEL封装过程VCSEL封装的一般过程包括芯片选取、背面处理、金属化、球栅键合、焊接、环氧封装等步骤。
首先，从生产中选取优质的VCSEL芯片，然后对芯片进行背面处理，以提高散热效果。
接下来，在芯片的金属化过程中，通过蒸镀金属来形成电极，以便与外部电路连接。
然后，通过球栅键合技术将芯片与基座连接起来。
最后，利用焊接技术将电极与外部引线连接，并使用环氧树脂进行封装，以保护芯片。
三、VCSEL封装工艺的发展随着VCSEL技术的不断发展，其封装工艺也在不断改进和创新。
早期的VCSEL封装工艺主要采用TO封装，这种封装方式简单易行，但散热效果较差。
随着技术的进步，CAN封装和C-Mount封装逐渐兴起。
CAN封装在VCSEL芯片的背面加入散热底座，提高了散热效果，适用于高功率VCSEL的封装。
C-Mount封装则采用薄膜底座和焊接技术，具有更好的热导性能和可靠性，适用于高速通信领域。
四、VCSEL封装工艺的优势VCSEL封装工艺具有以下优势：首先，VCSEL芯片尺寸小，可以进行高密度封装，提高集成度。
其次，VCSEL封装工艺成本低，生产效率高。
此外，VCSEL封装工艺还具有良好的热导性能和可靠性，能够适应高功率、高速等特殊工作环境。
总结：本文对VCSEL的封装工艺进行了介绍，从定义、封装过程、发展趋势等方面进行了探讨。
一种新型的垂直外腔面发射半导体激光器
一种新型的垂直外腔面发射半导体激光器沈少棠北京工业大学应用数理学院 000611指导教师：宋晏蓉摘要介绍了一种新型的垂直外腔面发射半导体激光器的结构、制作工艺、优点及其应用。
关键词激光器，半导体，垂直外腔面一、引言垂直腔面发射激光器（VCSEL）及其阵列是一种新型半导体激光器，它是光子学器件在集成化方面的重大突破，它与侧面发光的端面发射激光器在结构上有着很大的不同。
端面发射激光器的出射光垂直于晶片的解理平面；与此相反，VCSEL的发光束垂直于晶片表面。
它优于端面发射激光器的表现在：易于实现二维平面和光电集成；圆形光束易于实现与光纤的有效耦合；有源区尺寸极小，可实现高封装密度和低阈值电流；芯片生长后无须解理、封装即可进行在片实验；在很宽的温度和电流范围内都以单纵模工作；价格低。
二、垂直腔面发射激光器的结构图1为VCSEL的结构示意图，由布拉格反射镜，有源层和金属层接触组成。
其衬底的选择有以下3种。
1、硅衬底 在硅（Si）上制作的VCSEL还不曾实现室温连续波工作。
这是由于将AlAs/GaAs DFB直接生长在Si上，其界面不平整所致，使DFB的反射率较低。
日本Toyohashi大学的研究者由于在GaAs/Si异质界面处引入多层（GaAs）m（GaP）n应变短周期超晶格（SSPS）结构而降低了GaAs-on-Si异质结外延层的密度。
2、蓝宝石衬底 美国南方加利福利亚大学的光子技术中心为使VCSEL发射的850nm波长光穿过衬底，采用晶片键合工艺将VCSEL结构从吸收光的GaAs衬底移开，转移到透明的蓝宝石衬底上，提高了wall-plug效率，最大值达到25%。
3、砷化钾衬底 基于砷化钾（GaAs）基材料系统的VCSEL由于高的Q值而备受研究者青睐，目前VCSEL采用最多也是生长在GaAs衬底上。
但以GaAsSb QW作为有源区的CW长波长VCSEL发射波长被限制在1.23 微米。
发射波长1.3 微米的GaAsSb-GaAs系统只有侧面发射激光器中报道过。
垂直腔面发射激光器的研究进展及其应用
标题: 垂直腔面发射激光器的研究进展及其应用发信站: 紫金飞鸿(2002年01月09日16:06:43 星期三), 站内信件垂直腔面发射激光器的研究进展及其应用王莉陈弘达潘钟黄永箴吴荣汉 ( 中国科学院半导体研究所北京100083 ) 摘要：垂直腔面发射激光器VCSEL 具有常规半导体激光器不可比拟的优点其光束是园形的易于实现与光纤的高效耦合VCSEL 的有源区尺寸可做得非常小以获得高封装密度和低阈值电流适宜的设计可将激光二极管制成简单的单片集成二维列阵以实现二维光数据处理所用的激光源芯片生长后无须解理封装即可进行在片实验由于VCSEL 的优良性能从而获得 了国内外科技界企业界的高度关注本文对这种器件的性能开发现状及应用作简要的概述 关键词垂直腔面发射激光器光纤通信光网络光互连1 引言近年来由于人们对于超长距离超高速千兆比特/秒(Gbit/s)及至兆兆比特/秒(Tbit/s)光 纤网络的需求对于高性能低成本光互联网的需求以及对于光学存贮密度的不断提高的要 求使一种极其优秀的异型半导体激光器垂直腔面发射激光器(VCSEL)应运而生1979年东京工业大学的Iga 提出了垂直腔面发射激光器的思想并于1988 年研制出首枚VCSEL 器件自诞 生 之日起其优异的性能就获得了人们的青睐科学家们以极大的热情投身到它的研究和开发 中去 使其蓬勃发展短短的十几年来其波长材料结构应用领域都得到迅猛发展部份产品进 入市场据美国Cousultancy ElectroniCast 公司最近预测[1] 仅就用于全球消费的VCSE L 基光 收发机而言2003 年VCSEL 将达到11.43 亿美元2008 年将达到近60 亿美元2 垂直腔面发射激光器性能及结构2 . 1 垂直腔面发射激光器的特性垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser 简称VCSEL)及其阵列 是一种新型半导体激光器它是光子学器件在集成化方面的重大突破VCSEL 与常规的侧向出光的端面发射激光器在结构上有着很大的不同端面发射激光器的出射光垂直于芯片的解理平面(见图1)[2] 与此相反VCSEL 的发光束垂直于芯片表面(见图2) 这种光腔取向的不同导致VCSE L 的性 能大大优于常规的端面发射激光器 图1 端面发射的常规半导体激光器图2 垂直腔面发射激光器 这种性能独特的VCSEL 易于实现二维平面列阵,而端面发射激光器由于是侧面出光而难以 实 现二维列阵小发散角和园形对称的远近场分布使其与光纤的耦合效率大大提高现已证实 与多模光纤的耦合效率大于90% 而端面发射激光器由于发散角大且光束的空间分布是非 对称的128 飞通光电子技术2001 年9 月 因此很难提高其耦合效率由于VCSEL 的光腔长度极短导致纵模间距拉大可在较宽的 温度范围内得到单纵模工作动态调制频率高腔体积减小使得其自发辐射因子较普通端面 发射 激光器高几个数量级这导致许多物理特性大为改善如能实现极低阈值甚至无阈值激射可 大 大降低器件功耗和热能耗由于从表面出光无须像常规端面发射激光器那样必须在外延片 解理封 装后才能测试它可以实现在片测试这导致工艺简化大大降低制作成本此外其工艺 与平面硅工艺兼容便于与电子器件实现光电子集成2 . 2 V C S E L 的基本结构典型的VCSEL 结构示于图3[2] 通常仅约20nm 厚的三量子阱发光区夹在称之为Bragg 反射器的两组高反射率平面镜 之间顶部和底部的Bragg 反射器由交替生长的不同X 和Y 组分的半导体薄层组成相邻层之间的折射率差使每组叠层 的Bragg 波长附近的反射率达到极高( 99%)的水平Bragg 反射镜中的每层厚度为出射光工作波长的四分之一需要制 作的高反射率镜的对数根据每对层的折射率而定激光器的 偏置电流流过所有镜面组它们被高掺杂以便减小串联电阻 有源区由提供光增益的量子阱结构构成典型的量子阱数为1 4个量子阱被置于谐振腔内驻波图形的最大处附近以 便获得最大的受激辐射效率。
表面液晶-垂直腔面发射激光器阵列的热特性
† 通信作者. E-mail: gbl@
物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 69, No. 6 (2020) 064203
表面液晶-垂直腔面发射激光器阵列的热特性*
王志鹏 张峰 杨嘉炜 李鹏涛 关宝璐†
(北京工业大学信息学部, 光电子技术教育部重点实验室, 北京 100124)
(2019 年 11 月 25 日收到; 2019 年 12 月 24 日收到修改稿)
2 器件结构设计与制备
图 1 为表面液晶-VCSEL 阵列的结构示意图, 本实验所用器件结构采用金属有机物化学气相淀 积技术在 n 型 GaAs 衬底上外延生长而成. 从 GaAs 衬底自下而上依次生长 n 型分布布拉格反射镜 (DBR)、有源区、氧化限制层、p 型 DBR 和欧姆接 触层. 其中 n 型 (Si 掺杂) DBR 由 34.5 对 Al0.90Ga0.10 As/Al0.12Ga0.88As组成, 有源区由 3 对 6 nm 厚的 GaAs 量 子 阱 和 8 nm 厚 的 Al0.30Ga0.70As 势 垒 构 成 , 其 中 心 波 长 为 850 nm, p 型 (C 掺 杂 ) 掺 杂 DBR 由 21 对 Al0.90Ga0.10As/Al0.12Ga0.88As 组 成 . 而 位 于 有 源 区 和 p 型 DBR 之 间 的 氧 化 限 制 层 (Al0.98Ga0.02As)厚 30 nm, 经过湿氮氧化工艺后形 成 AlxOy 层, 从而形成电流和光场的分布限制.