垂直腔表面发射激光器(VCSEL)论文VIP专享VIP免费

垂直腔表面发射激光器（VCSEL）引言垂直腔表面发射激光器(VerticalCavitySurfaceEmittingLaser,即VCSEL)是很有发展前景的新型光电器件，也是光通信中革命性的光发射器件。顾名思义，边发射激光器是沿平行于衬底表面、垂直于解理面的方向出射，而面发射激光器其出光方向垂直于衬底表面，如下图：图1.边发射激光器（a）与面发射激光器(b)示意图它优于边发射激光器的表现在于：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；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；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，封装后即可进行在片实验；在很宽的温度和电流范围内都以单纵模工作；价格低。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。一．基本结构VCSEL由三部分组成：顶部布拉格反射器（P-DBR）、谐振腔和底部N-DBR。一般DBR由20-40对薄膜组成。谐振腔的厚度一般在几个微米左右，与边发射器的增益长度相比，VCSEL有源层的增益长度极小（几十纳米），为了能够实现激射，DBR必须有很高的反射率（一般大于99%）。在器件的最下方一般是以GaAs为材料的衬底。结构示意图如下：图2.VCSEL的基本结构图3.VCSEL与边发射激光器结构对比图4.DBR结构示意图（）下图列出了VCSEL对应不同波长的谐振腔材料体系：图5.VCSEL对应不同波长的谐振腔材料体系二．工作原理DBR类似于多层介质薄滤波器，它会在某一个波长产生强反射光。这个光可以在顶部P-DBR镜面叠层和底部N-DBR镜面叠层之间进行反射，以形成一个垂直腔体。在VCSEL中，谐振腔是由多层介质膜构成的布拉格光栅。如果两种介质膜的折射率和厚度分别为和，并且满足条件，则多层介质膜在界面处对所选波长为的光波进行反射，通过选择合适的折射率材料及层数，可有效控制介质层的厚度。在VCSEL中，有源区既可以选用双异质结结构的体材料，又可以采用量子阱结构，无论哪一种，其总厚度应很薄，使有源区与DBR构成短腔激光器VCSEL的发射光谱的模式间隔为:，L为激光器的谐振腔长度，n为折射率，为入射波长。因为L很短，故VCSEL可以实现很大的发射光谱模式间隔，使得其非常容易实现动态单纵模工作，其发射的是非常窄的纯单纵模。当VCSEL开始工作时，一束低于阈值电流的驱动电流被注入到有源区，由于光谱范围较宽，VCSEL将发出多束空间相位不匹配的非相干光。当注入电流逐渐接近并达到阈值电流值时，相干性极高的光束经上下DBR进行多次反射后由激光器的顶部或底部射出。下图即为VCSEL中DBR的反射光谱示意图，图中高反带中有一个凹陷位置，此位置是高反带中的透射极大值，所对应的波长即是腔模波长，即此处的光场经过DBR的反射和腔的谐振，实现光场的输出。图6.VCSEL中DBR的反射谱按照波段划分，目前VCSEL主要分为340nm、640-670nm、750-780nm、850nm、980nm、1300nm、1550nm波段VCSEL以及可调谐VCSEL、多波长阵列VCSEL。三．制备工艺1.湿法氧化工艺首先采用光刻、腐蚀等工艺在模拟样品上刻蚀出圆台面，暴露出要氧化的层侧面，然后进行清洗，P面做环形金属电极，N面做圆形金属电极，处理后，按一定的氧化速率通过氧化时间控制氧化深度，实现氧化限制孔径与出光孔径的控制。实验装置图如下：图7.湿法氧化实验装置图2.晶片键合工艺日本NTT光子实验室将具有充分的横向限制的掩埋异质结（BH）引入VCSEL中，采用薄膜晶体键合工艺使InP基掩埋异质结VCSEL制作在GaAs-DBR上，具体过程如下：（1）采用MOCVD生长InP基激光器结构（第一次生长）；（2）采用反应离子刻蚀（RIE）形成台面方形；（3）再一次生长掺FeInP层和n-InP层（第二次生长）；（4）又一次生长p-InP相位匹配和p-InGaAs接触层（第三次生长）；（5）将外延层安装在Si板上并用蜡作机械支撑；（6）采用HC1和H3P04化学溶液腐蚀InP衬底和InGaAsP腐蚀中止层；（7）将InP基和GaAs基层的两表面在相同结晶方向面对面放置，然后在室温下蜡熔解而使Si片分开，将样品送入退火炉以形成化学键合；（8）将台面上部的p-InGaAs移开并将普通电极和SiO2-TiO2介质...