半导体激光器

1、垂直腔面发射激光器（VCSEL）物理电子学S120100088张帆 一 VCSEL的发展历程二二 VCSEL原理结构三 VCSEL的优点四 VCSEL的应用VCSEL的发展历程 1977年东京工业大学的伊贺教授首先提出垂直面射式激光的概念。在1979年由Soda, Iga, Kitahara and Suematsu （Soda 1979）所发表，使用液相外延技术(LPE) 实现InGaAsInP材料的VCSEL在液氮温度77K下脉冲激射，阈值电流900mA 。1984年伊贺实验室做出的A1GaAsGaAs室温面射型脉冲激射激光， 自此VCSEL发展才打开了新的纪元。 1987年VCSEL这名

2、词被杜撰于美国光学协会（Optical Society of America）出版物上。1994 年实现了1550nm 的InGaAsPInP的VCSEL的室温连续工作。1993年实现了13lOnm 的InGaAsPInP的VCSEL的室温连续工作 ，同年夏天实现了670nm室温连续激射。VCSEL的发展历程 1991年实现了波长为980nmGaAsInGaAs系列的VCSEL室温连续工作。 1999年，东京大学和德国维尔兹堡大学的研究人员在室温下从光泵浦InGaN垂直腔面发射激光器二维列阵中获得蓝光发射(399nm波长) 。1999年，桑迪亚国家实验室利用反传导耦合，制作了发射868nm波长

3、的两个强烈耦合锁相列阵垂直腔面发射激光器，以不同衍射极限光束质量的高功率垂直腔面发射激光器为基础的发射器铺平了道路。 2000年，圣巴巴拉加州大学研究小组发展了第一个室温运转、输出波长为1550nm的电抽运，全晶格匹配、砷锑化合物单块垂直腔面发射激光器，室温下阈值电流为7mA，高温时(45oC)阈值电流1.55mA 。VCSEL的发展历程 2001年在室温下用含19个单元的阵列实现了1W的连续波方式工作或是10W的脉冲方式工作。2005年通过增大口径大小，实现了3W的输出功率，波长为980nm。2007年，一个5mm*5mm的阵列实现了200W的输出功率，这是一个高功率VCSEL方面的重大突破

4、。2009年在808nm功率达到了大于100W这个等级。现在vcsel朝着脉冲方式工作，更低的阈值电流，更多种发射波长，更高输出功率的方向发展。VCSEL的原理结构 一个激光谐振腔是由两面布拉格反射镜 (DBR)平行于一个芯片反应区的表面构成， 在一般的VCSEL中，较高和较低的两个透镜分别镀上了p型材料和n型材料，形成一个接面二极管。在较为复杂的结构中，p型和n型区域可能会埋在透镜中，使较复杂的半导体在反应区上加工做电路的连接，并除去在DBR结构中电子能量的耗损。VCSEL的原理结构 典型的VCSEL结构如图1所示，其有源区由多量子阱组成，有源区上下两边分别由多层四分之一波长厚的高低折射率交

5、替的外延材料形成的DBR，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，需要制作的高反射率器的对数依据每对层的折射率而定，激光器的偏置电流流过反射器，它们是高掺杂的以便减小串联电阻由一组少量的量子阱提供光增益，典型的量子阱数为1至4个，它们被置于驻波图形的最大处附近，以便获得最大的受激辐射效率而进入振荡场。出射光方向可以是顶部或衬底，这主要取决于衬底材料对所发出的激射光是否透明以及上下DBR究竟那一个取值更大一些。 VCSEL的原理结构 VCSEL的优点 波长稳定性VCSEL激射波长非常稳定，因为它是由短期（1-1.5波长厚）法布里 - 珀罗腔固定。波长均匀

6、性生长技术改善了腔波长为2nm的标准偏差，这允许制造的VCSEL2-D数组数组的元素（1nm的全宽半高谱宽）之间的小波长变化。可靠性由于VCSEL的不受灾难性的光学损伤，其可靠性比边缘发射器高得多可扩展性对于高功率应用中，VCSEL关键优势是可以直接加工成单片的2D阵列VCSEL的应用 激光打印机 在光打印方面，激光打印机中的多边镜等光扫描技术的电子化是多年未能解决的课题，随着技术的发展，已逐步得到改善。如果采用LED阵列，电能消耗是个瓶颈，而导入VCSEL阵列则可以解决这个问题。采用数千个VCSEL构成的阵列形式的多光束将可能成为取代多边镜扫描的最好方式。相比过去的单个激光管，VCSEL的阵

7、列集成结构可以同时进行多行的扫描。这可以大大提高激光打印机的扫描速度并相应延长其使用寿命。VCSEL的应用 激光显示在光显示方面，通常的显示器都是利用红、绿、蓝三元色发光管构成的，如果能够制成具有红、绿、蓝三元色的激光器，则可以应用在大型显示器的技术领域中。目前，波长范围从蓝色覆盖到紫外波段的GaN系列激光器正处在研究阶段。这个系列的VCSEL是解决未来图像显示的有力技术。在照明方面，VCSEL的电光转换效率达到50以上，远远高于目前的照明光源，如果它的波长能从紫外波段覆盖到可见光区，可以期待它在照明领域里面也能有着广泛的应用前景，实现白光照明。例如，可调节光线强度的室内照明，笔记本电脑的背景灯，交通指示灯以及户外照明灯等许多方面。VCSEL的应用 条形码扫描VCSEL与以往的激光器相比，VCSEL具有阈值电流0.55mA，斜率效率0.240.7 mWmA，射线角l5度，光谱宽度小于0.3nm，象散为零， 射线的形状为圆形等优点。这些优点正预示着它适