垂直腔面发射激光器课件
光泵浦垂直外腔面发射半导体激光技术
光泵浦垂直外腔面发射半导体激光技术——推动激光行业发展的新引擎当今，激光技术已经渗透到各行各业，成为科技领域的重要支撑。
而在不同的激光技术中，光泵浦垂直外腔面发射半导体激光技术（简称OP-VECSEL）作为一种创新的技术手段，备受关注。
它以其特有的优势，正推动着激光行业的发展，成为新一代的激光技术引擎。
1. OP-VECSEL技术的原理OP-VECSEL技术是一种基于半导体材料的激光技术，其核心原理是通过外部光泵浦的激发，实现半导体材料内部载流子的再组合，从而产生激光辐射。
相较于传统的激光技术，其在结构上更加简单，光路更加清晰，能够实现高效的激光发射。
2. OP-VECSEL技术的优势在实际应用中，OP-VECSEL技术具有明显的优势。
其激光输出功率可实现很高的水平，能够满足多种应用领域的需求；其单色性和光束质量优秀，能够实现高精度的激光加工和光通信传输；其结构简单、制造成本低，有望在产业化应用中取得更广泛的应用。
3. OP-VECSEL技术在激光领域的应用在激光领域，OP-VECSEL技术已经被广泛应用。
在激光医疗设备中，其高功率的激光输出能够实现更为精准的治疗效果；在激光显示领域，其高质量的光束能够实现更加清晰、高对比度的显示效果；在激光雷达和光通信中，其单色性和光束质量则能够实现更加稳定的信号传输。
4. 个人观点与展望作为一种新型的激光技术手段，OP-VECSEL技术的发展前景十分广阔。
随着光通信、激光雷达、激光制造等领域的不断拓展，对激光技术提出了更高的要求，而OP-VECSEL技术以其独特的优势，有望在这些领域中得到更加广泛的应用。
光泵浦垂直外腔面发射半导体激光技术作为一种新型的激光技术手段，以其独特的优势，正成为推动激光行业发展的新引擎。
期待在未来的发展中，能够看到更多激光技术带来的创新应用和行业变革。
激光技术是现代科技领域的重要支撑，而光泵浦垂直外腔面发射半导体激光技术（OP-VECSEL）作为一种创新的激光技术手段，正在成为推动激光行业发展的新引擎。
大功率垂直腔面发射激光器用于激光显示 (2)word资料7页
大功率垂直腔面发射激光器用于激光显示2009-12-03 | 【大中小】eVCSEL光源展现更丰富的色彩电泵浦的垂直腔表面发射激光器可以产生明亮、纯净的红、绿、蓝光，能用于背投电视。
激光光源在背投电视领域的应用，吸引了众多厂商去研究：如何使家庭影视实现真彩色以及达到剧院效果。
借助数字光处理（DLP）芯片或采用改进的液晶面板，目前用微显示技术可制造出尺寸达70英寸（对角线尺寸）的高质量显示屏。
这些屏幕由传统的超高压汞灯照明，这种汞灯在亮度、色彩重现及使用寿命方面还有些不足。
激光器可以代替汞灯与DLP或其他调制器一起使用，激光器作为光源具有几项优势。
最大线宽只有几个纳米的激光使色彩数量比现有的色彩标准增加了30％到40％。
过去所需的彩色滤光片现在也可略去，这提高了光调制系统的工作效率；相关的紫外和红外发射器也可免去，工作寿命也显著延长（超过10000小时），同时，较好的方向性和较小的发散角也有利于光耦合。
激光虽具有上述优点，但它作为背投电视光源却未能商业化，这主要是由于它成本过高及红光、绿光、蓝光激光器在封装上的难度较大。
而Principia Lightworks研制成功了一种电子泵浦的垂直腔表面发射激光器（VCSEL）（见图1），图1. eVCSEL光源由电子束泵浦；电子束的扫描方式类似于阴极射线管（上图）eVCSEL产生高质量的红光、绿光、蓝光（下图）他们称它为eVCSEL，其价格较低，有望应用到背投电视上。
这种激光器可以安装在很薄的背投电视里。
eVCSEL腔内含有增益层，它由块状单晶半导体或多量子阱结构组成，后者通过标准的外延沉积技术制备，如金属－有机物化学气相沉积技术。
增益层位于一个高反射率镜子和一个输出耦合器的夹层内，其厚度为5到10μm，面积约为2cm2。
eVCSEL产生红色激光的量子阱增益层材料为InGaP/AlGaInP；产生绿光的材料为ZnCdSe/ZnSSe；产生蓝光的为ZnSSe/ZnMgSSe。
垂直腔面发射激光器
器中最理想的结构&
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垂直腔面发射激光器的结构
❖ 其衬底的选择有以下3种：
❖ 硅衬底：将 AlAs/GaAs DFB直接生长在 Si 上;由于其界 面不平整;使DFB的反射率较低;所以在硅Si上制作的 VCSEL还不曾实现室温连续波工作&
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制作过程
❖ VCSEL的横向结构通常用刻蚀法形成台面结构; 或用质子注入法及特殊氧化法等&这些方法均有各 自的优缺点&刻蚀法可分为湿法化学刻蚀和干法刻 蚀两种&近年来;为降低阈值电流和提高效率 ;优 先选用氧化AlAs层的方法&这种方法是在420 ℃的 高温下;用氮气携带 80 ℃的水蒸气对AlAs层中的 铝进行氧化;形成AlxOy绝缘层;对载流子进一步 限制&
❖ VCSEL的谐振腔非常小;因此可做成高速率的光开关&控制二维列阵 中各VCSEL的位相可以控制输出光的相干性&通过对各个 VCSEL激 射光的锁模效应;可以获得方向性很强的大功率激光输出&
❖ VCSEL还是各种固体激光器的理想泵浦光源;它适宜与光纤实现高效 率耦合;满足高密度光盘的读写光源的要求&
❖ 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%&
❖ 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&
《激光器及光发射机》PPT课件
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F-P LD基本工作原理
实现F-P LD激射工作的四个基本条件：
要有能实现电子和光场相互作用的工作物质 要有注入能量的泵浦源（光泵或者电泵浦） 要有一个F-P谐振腔 要满足振荡条件
工作物质（即能实现粒子跃迁的晶体材料，如GaAs和 InGaAsP）
外界供给能量满足粒子数反转（常采用电流注入法）
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2. F-P谐振腔
只有增益介质而无光学 反馈装置，便不能形成激光 将已实现粒子数反转分布 的系统置于严格平行的一对 反射镜之间便形成F-P谐振腔。 光在两个反射镜之间往返多 次过程中，得到放大。
按结构分类： F-P LD、 DFB LD、 DBR LD、 QW LD、 VCSEL
按波导机制分类：增益导引LD和折射率导引 LD
按性能分类：低阈值LD、超高速LD、动态单 模LD、大功率LD
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3.1.1 法布里-珀罗型激光器F-P LD
F-P LD是最常见最普通的LD. 由外延生长的有源层和有源层两边的限制层构成 in a Typical Fabry-Perot Laser
Spectral width and Linewidth at FWHM (Full Width Half Maximum)
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Output spectrum changes as power is applied
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3. 振荡条件
当增益超过由部分反射和散射等多种因素引起的 总损耗，经过谐振腔的选频作用，特定频率的光 波在谐振腔内积累能量并通过反射镜射出，形成 激光（相干光）。
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。
垂直腔面发射激光器的设计与制备
垂直腔面发射激光器的设计与制备垂直腔面发射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，简称VCSEL）是一种重要的光电子器件，具有广泛的应用前景。
它在通信、传感、光存储等领域都有着重要的作用。
本文将介绍VCSEL的设计与制备过程，以及其在实际应用中的一些特点和挑战。
首先，VCSEL的设计是整个制备过程的关键。
VCSEL的设计主要包括结构设计和材料选择两个方面。
在结构设计方面，VCSEL通常由多个半导体材料层组成，其中包括活性层、波导层、反射镜层等。
这些层的厚度和材料的选择都会对VCSEL的性能产生重要影响。
例如，活性层的厚度决定了激光的波长，而反射镜层的设计则直接决定了激光的输出效率。
在材料选择方面，需要考虑材料的光学、电学和热学性质，以及材料的可制备性和可靠性等因素。
其次，VCSEL的制备过程需要借助一系列的工艺步骤。
首先是材料的生长，通常采用金属有机化学气相沉积（Metal Organic Chemical Vapor Deposition，简称MOCVD）技术。
在MOCVD过程中，通过控制反应物的流量和温度等参数，可以实现不同材料层的生长。
接下来是光刻和蚀刻等工艺步骤，用于定义VCSEL的结构和形状。
最后是金属电极的制备和封装等步骤，用于实现电流注入和激光输出。
然而，VCSEL的制备过程并不是一帆风顺的。
在实际制备中，会遇到一些挑战和困难。
首先是材料的生长过程中的缺陷问题。
由于材料的生长过程往往涉及到复杂的物理和化学反应，因此很容易引入杂质和缺陷。
这些缺陷会影响VCSEL的性能和可靠性。
其次是工艺的可控性和一致性问题。
VCSEL的制备过程通常需要多个工艺步骤的组合，每个步骤都需要严格控制。
如果某个步骤的参数设置不当，就会导致VCSEL的性能和一致性出现问题。
在实际应用中，VCSEL具有一些独特的特点。
首先是其较小的体积和低功耗。
相比传统的边射激光器，VCSEL具有更小的体积和更低的功耗，这使得它在集成光电子系统中具有更大的优势。
垂直腔面发射激光器原理
垂直腔面发射激光器原理垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL）是一种特殊的半导体激光器，其工作原理基于垂直方向发射激光光束。
VCSEL的结构由多个半导体层组成，包括n型和p型材料以及一个活性层。
这些层被沉积在一个半导体衬底上。
在VCSEL中，激光光束垂直于半导体表面发射，而不是像传统的激光器那样沿着器件表面传播。
这种垂直发射的特性使得VCSEL在许多应用中具有优势。
VCSEL的工作原理是基于半导体材料的电子和空穴重新组合产生的辐射。
当外加电压施加在VCSEL的n型和p型材料之间时，电流流经活性层，使其被激发。
激发的电子和空穴在活性层中重新组合，产生光子辐射。
这种辐射在垂直方向上被增强，从而实现垂直发射的激光光束。
与传统的边射激光器相比，VCSEL具有许多优点。
首先，VCSEL可以实现高效的光电转换效率，能够以较低的能量消耗产生高质量的激光光束。
其次，VCSEL的发射光束具有高度垂直方向的特性，使得光束更容易聚焦和耦合到光纤中，从而实现高速数据传输。
此外，VCSEL的制造成本相对较低，可以通过集成电路的方式批量生产，因此被广泛应用于光通信、传感和光存储等领域。
在VCSEL的设计和制造过程中，需要考虑一些关键因素以提高其性能。
其中之一是选择适当的材料系统，以实现所需的波长和输出功率。
此外，通过优化半导体层的结构和厚度，可以提高光子辐射的效率和垂直发射的特性。
另外，热管理也是一个重要的问题，需要考虑如何有效地散热以避免器件过热。
总结起来，垂直腔面发射激光器是一种独特的半导体激光器，其工作原理基于垂直方向发射激光光束。
通过优化材料系统、结构设计和热管理等关键因素，可以实现高效、高质量的激光输出。
VCSEL 在光通信、传感和光存储等领域具有广阔的应用前景，并且在未来的发展中仍然具有很大的潜力。
波长可调谐垂直腔面发射激光器
0引言(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser),,,,[1-3],,VCSEL、、、[4-5]。
,VCSEL,VCSEL。
VCSEL,VCSEL60nm 。
1VCSEL结构设计1850nm VCSEL。
GaAs、34n-DBR、(Al0.3Ga0.7As/GaAs)、、2.5p-DBR()、、、16.5P-DBR。
VCSEL,VCSEL,VCSEL[6]。
图1内腔亚波长光栅VCSEL结构2光栅参数对波长调谐范围的影响2VCSEL,Λ=200nm, (/)η=0.55,TE。
100nm150nm波长可调谐垂直腔面发射激光器王超素郑逸江孝伟(衢州职业技术学院,浙江衢州324000)【摘要】实现VCSEL波长可调谐是现今VCSEL研究领域的热点之一,本文提出利用内腔亚波长光栅提高了VCSEL的波长调谐范围。
经过模拟计算当光栅周期当栅周期为Λ=200nm,占空比(光栅条宽/光栅周期)η= 0.55,厚度h=100nm时,VCSEL波长调谐范围可以达到最优,相比于无内腔亚波长光栅VCSEL的波长调谐范围有了显著提高。
这可以为以后实际的器件制备提供理论依据。
【关键词】VCSEL;波长调谐范围;亚波长光栅中图分类号:TN248文献标识码:A文章编号:2095-2457(2019)26-0030-002DOI:10.19694/ki.issn2095-2457.2019.26.014※基金项目:浙江省教育厅一般科研项目(Nos.Y201738091,Y201839950)。
作者简介:王超素(1983—),女,浙江衢州人,从事半导体光电子器件的研究。
30Science&Technology Vision 科技视界,VCSEL,100nm,VCSEL60nm,150nm,40nm。
100nm。
图2光栅厚度对VCSEL波长调谐范围的影响图3光栅占空比对V CSEL波长调谐范围的影响h=100nm、Λ=200nm、TE,, VCSEL,3。
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垂直腔面发射激光器的结构
根据其有源层的不同，可分为三种结构：45° 镜面型、光栅耦合型、垂 直腔型。
• a）所示的激光器采用45°倾斜反射镜结构 , 其反射特性完全依赖于内部反射镜的倾角和平 整度，工艺制作困难，且存在光束畸变问题；
• b）采用高阶耦合光栅结构，尽管可以获得发 散角小的窄细光束，但其反射光的大部分进入 了衬底，使效率大幅降低 ,而且激光束的发散 角度随波长变化而变化；
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垂直腔面发射激光器的工作 原理
• VCSEL与其它激光器发光原理一样，只要满足以下两个条 件就可以实现激光激发。
• 粒子数反转过程：在有源区内存在粒子数反转，使激光煤 质提供的增益足够超过损耗的情况下，当有电流注入时， 光强将持续增加，处于高能态导带底的电子跃迁到处于低 能态价带时，随着特定波长的光在有源区上下两个反射镜 面来回反射，放大过程不断重复，便形成了激光。
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应用
• VCSEL具有高密度 、高传输率 、高并行光输出及方便地进行二维空间 组合的特点，成为理想的集成光电子有源器件和空间光学及光计算机 并行处理的关键器件 。
• VCSEL的高速响应特别适于计算机中的芯片光互连和自由空间光互连。 • VCSEL极易实现高密度的平面阵列集成，可用于图像处理与模式识别，
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垂直腔面发射激光器的优点
与传统的边发射激光器相比 , 垂直腔面发射激光 器具有诸多优点 :
1、具有较小的远场发散角 , 发射光束窄且圆 ,易与光纤 进行耦合 ; 2、阈值电流低 ; 3、调制频率高 ; 4、在很宽的温度和电流范围内均以单纵模工作 ; 5、不必解理 , 即可完成工艺制作和检测 , 成本低 ; 6 、易于实现大规模阵列及光电集成
还可用于光神经网络计算技术和多值逻辑等新型电路 。 • VCSEL的谐振腔非常小，因此可做成高速率的光开关。控制二维列阵中
各VCSEL的位相可以控制输出光的相干性。通过对各个 VCSEL激射光的 锁模效应，可以获得方向性很强的大功率激光输出。 • VCSEL还是各种固体激光器的理想泵浦光源，它适宜与光纤实现高效率 耦合，满足高密度光盘的读写光源的要求。
• 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%。
• 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。
垂直腔面发射激光器
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目录
1
定义
2
ห้องสมุดไป่ตู้
结构与工作原理
3
制作工艺
4
优点
5
应用
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2
垂直腔面发射激光器的定义
• 垂直腔面发射激光器
• 英文名称：vertical cavity surface emitting laser，简称 VCSEL
• 它是一种从垂直于衬底面射出激光的半导体激光器 • 一般应用于材料科学技术、半导体材料、半导体微结
• c）为有源区直径及腔长仅为微米量级的 微腔结构，容易实现低阈值 ( I t h)，具有较
高的微分量子效率；所以 ( c) 是垂直腔面发射
激光器中最理想的结构。
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垂直腔面发射激光器的结构
• 其衬底的选择有以下3种：
• 硅衬底：将 AlAs/GaAs DFB直接生长在 Si 上，由于其界 面不平整，使DFB的反射率较低，所以在硅（Si）上制作 的VCSEL还不曾实现室温连续波工作。
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制作过程
• VCSEL的横向结构通常用刻蚀法形成台面结构， 或用质子注入法及特殊氧化法等。这些方法均有各 自的优缺点。刻蚀法可分为湿法化学刻蚀和干法刻 蚀两种。近年来，为降低阈值电流和提高效率 ，优 先选用氧化AlAs层的方法。这种方法是在420 ℃的 高温下，用氮气携带 80 ℃的水蒸气对AlAs层中的 铝进行氧化，形成AlxOy绝缘层，对载流子进一步 限制。
构材料及器件
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垂直腔面发射激光器的结构
• 组成：该结构由镜面 、 有源层和金
属接触层组成。2个发射镜分别为 n 型和 p 型 DBR 堆的布喇格发射器。有 源区由 1～3 个量子阱组成。有源区 的两侧是限制层，一方面起限制载流 子的作用，另一方面调节谐振腔的长 度，使其谐振波长正好是所需要的激 光波长。在衬底和 p 型 DBR 的外表面 制作金属接触层，形成欧姆接触，并 在 p 型 DBR上制成一个圆形出光窗口， 输出圆形的激光束。
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Thank You !
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• 谐振腔：由两个反射镜和增益介质组成的,是产生激光的主 要条件之一。谐振腔在VCSEL中的主要作用是给在有源区 内产生的光，在上下两个布拉格反射镜来回反射时，形成 多次光能反馈提供的一个空腔，使受激辖射在其中得到多 次反馈而形成激光振荡。
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制作过程
• VCSEL的各个半导体层是采用分子束外延(MBE) 或金属有机化学汽相沉积(MOCVD)方法在GaAs衬 底上外延生长而形成的，大约需100多层，而每层的 厚度只有几纳米。在晶体生长中每层的厚度必须得 到很好的控制，因为它对激射波长和最终的成品率 都有重要的影响；在外延过程中要确保整个外延层 的均匀性。目前国内在外延生长方面，尤其在生长 高反射率的分布布喇格反射器(DBR)方面和国外还 有一定的差距。