文档介绍：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 微米。发射波长 微米的 GaAsSb-GaAs 系统只有侧面发射激光器中报道过。日前
美国贝尔实验室的 等人演示了室温 CW 时激射波长为~ 微米的生长在 GaAs 衬底下的
光泵浦 GaAsSb-GaAs QW VCSEL。这个波长是目前报道的 GaAsSb-GaAs 材料系最长的输出波长。
三、垂直腔面发射激光器的制作新工艺
1、氧化物限制工艺氧化物限制的重大意义在于:能较高水平地控制发射区面积和芯片尺寸,并能
极大地提高效率和使光束稳定地耦合进单模和多模光纤。因此,采用氧化物限制方案器件有望将阈
值电流降到几百 A,而驱动电流达到几个 mA 就足以产生 1mW 左右的输出光功率。采用氧化孔径来
限制电流与光场,使效率得到显著提高,同时降低了 VCSEL 的阈值电流。所以,现在极有可能在单
个芯片上制作大型和密集型封装的氧化限制 VCSEL 阵列而不会存在严重的过热问题。除低阈值电流
和高效率外,均匀性是成功的VCSEL 阵列的又一重要因素。在驻波节点处设置微氧化孔提高了VCSEL
阵列的均匀性,并降低了小孔器件的