垂直腔面激光器

1、垂直腔面激光器垂直腔面激光器定义应用结构及工作原理优点垂直腔面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它是一种激光发射方向垂直于pn结平面而谐振腔面平行于pn结平面的半导体激光器一般应用于材料科学技术、半导体材料、半导体微结构材料及器件垂直腔面激光器的结构及工作原理VCSEL主要由三部分组成 (见左图）， 即激光工作物质、崩浦源和光学谐振腔。工作物质是发出激光的物质,但不是任何时刻都能发出激光,必须通过崩浦源对其进行激励,形成粒子数反转,发出激光,但这样得到的激光寿命很短,强度也不会太高,并且光波模式多

2、,方向性很差。所以,还必须经过顶部反射镜(Top Mirror) 和底部反射镜 (Bottoo Mirror)组成的谐振腔,在激光腔 (Laser Cavity)内放大与振荡,并由顶部反射镜(Top Mirror)输出,而且输出的光线只集中在中间不带有氧化层(Oxide Layers)的部分输出。这样就形成了垂直腔面的激光发射,从而得到稳定、持续、有一定功率的高质量激光。V CS EL是 以Ga A s和AIGa As作为工作 物质,它们 分布在活性 层 (Gai n Re g i o n)。此工作物 质具 有四 能级系 统的能级结构 形式,根 据条件不 同,可发射 出7 8 0n m、8 5

3、 0 n m和9 80 n m等 波长 的激光。我们 可以把 结构图l简化成工作物质与电流关系的原理图 ,如图2所示 。当P一N结 两 端不 加 电压 时 ,N区 中的 多 数 载 流子电子 与P区中 的多数 载 流子空穴 互相 扩散,形成一个内建电场,此时P一 N结相当于一个 阻挡层。当在P一 N结上加正向电压,即N极接负极,P极 接正极,阻挡层被削弱,注入N区的大量 电子流向P区并在结区与空穴复合,放出光子 产生激光 。垂直腔面激光器的结构及工作原理VCSEL是以Ga,As和AIGa,As作为工作物质,它们分布在活性层 (Gain Region)。此工作物质具有四能级系统的能级结构 形式,

4、根据条件不同,可发射出780nm、850nm和980nm等波长的激光。把结构图简化成工作物质与电流关系的原理图 ,如图所示 。当PN结两端不加电压时,N区中的多数载流子电子与P区中的多数载 流子空穴互相扩散,形成一个内建电场,此时PN结相当于一个阻挡层。当在PN结上加正向电压,即N极接负极,P极接正极,阻挡层被削弱,注入N区的大量电子流向P区并在结区与空穴复合,放出光子产生激光。垂直腔面激光器的优点对于高功率应用中，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。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波长均匀性波长稳定性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。可靠性可扩展性垂直腔面激光器的应用VCSEL在条形码扫描中的应用条形码扫描器在超市、图书馆等多种行业中被广泛应用。如超市用条形码标示商品价格,并用激光自动扫描和读取条形码。以下将对此过程作简单介绍： 以常用的旋转棱镜扫描器为例 ,条形码扫描器由条形码、激光扫描器、VCSEL和光探测器等组成,如图所示。控制门使激光扫描器通电后,VCSEL发出红光激光束,经过激光扫描器转换光路至