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【深度】干货分享：深度解读垂直腔面发射激光器！( 二 )


VCSEL的优异性能已引起广泛关注 ， 成为国际上研究的热点 。这十多年来 ， VCSEL在结构、材料、波长和应用领域都得到飞速发展 ， 部分产品已进入市场 。
VCSEL 基本结构
VCSEL 的结构示意图如下图所示 。它是在由高、低折射率介质材料交替生长成的分布布喇格反射器（DBR）之间连续生长单个或多个量子阱有源区所构成 。典型的量子阱数目为 3~5 个 ， 它们被置于驻波场的最大处附近 ， 以便获得最大的受激辐射效率而进入振荡场 。在底部还镀有金属层以加强下面 DBR 的光反馈作用 ， 激光束从顶部透明窗口输出 。
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实际上 ， 要完成低阈值电流工作 ， 和一般的条型半导体激光器一样 ， 必须使用很强的电流收敛结构 ， 同时进行光约束和截流子约束 。由上图可见 ， VCSEL的半导体多层模反射镜 DBR 是由 GaAs/AlAs 构成的 ， 经蚀刻使之成为 air-post（台面）结构 。在高温水蒸汽中将 AlAs 层氧化 ， 变为有绝缘性的 AlxOy 层 ， 其折射率也大大降低 ， 因而成为把光、载流子限制在垂直方向的结构 。对 VCSEL 的设计集中在高反射率、低损耗的 DBR 和有源区在腔内的位置 。
VCSEL激光器的特点
由于VCSEL与边发射激光器有着不同的结构 ， 这就决定了两者之间有不同的特点和性能 ， 下表中列出了两种激光器的基本参数 。
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从表中我们可以看出 ， VCSEL有源区的体积小、腔短 ， 这就决定了它容易实现单纵模、低阈值(亚毫安级)电流工作 ， 但是为了得到足够高的增益 ， 其腔镜的反射率必须达到99% 。VCSEL具有较高的弛豫振荡频率 ， 从而在高速数据传输以及光通信中 ， 预计将有着广泛的应用 。VCSEL出光方向与衬底表面垂直 ， 可以实现很好的横向光场限制 ， 进行整片测试 ， 得到圆形光束 ， 易与制作二维阵列 ， 外延晶片可以在整个工艺完成前 ， 节约了生产成本 。
VCSEL的优点主要有:
1、出射光束为圆形 ， 发散角小 ， 很容易与光纤及其他光学元件耦合且效率高 。
2、可以实现高速调制 ， 能够应用于长距离、高速率的光纤通信系统 。
3、有源区体积小 ， 容易实现单纵模、低阈值的工作 。
4、电光转换效率可大于50% ， 可期待得到较长的器件寿命 。
5、容易实现二维阵列 ， 应用于平行光学逻辑处理系统 ， 实现高速、大容量数据处理 ， 并可应用于高功率器件 。
6、器件在封装前就可以对芯片进行检测 ， 进行产品筛选 ， 极大降低了产品的成本 。
7、可以应用到层叠式光集成电路上 ， 可采用微机械等技术 。
VCSEL的发展史
VCSEL的历史 ， 也是在诸多学者机构的努力下 ， 其性能不断优化的历史 ， 在这几十年的历史中 ， IGA及其带领的团队起到了不可磨灭的作用 ， 可以堪称IGA教授为VCSEL之父 。
随着VCSEL的诸多优点 ， 其应用也越来越广泛 。并且为了适合这些应用 ， VCSEL也朝着多个方向在各自发展 ， 如图所示 ， 为其主要应用：
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不同波长VCSEL应用领域
由于目前VCSEL最主要应用在光传输方面 ， 基于1979年Soda等人的VCSEL为开端 ， VCSEL的发展 ， 主要经历了2个阶段：
第一阶段：从VCSEL诞生到20世纪末 ， 蛮荒发展阶段 。
在这个阶段 ， 各个组织机构都提出以及尝试了各种不同结构类型的VCSEL ， 最终氧化物限制型VCSEL由于其诸多优点而胜出 。


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