激光显微镜激光器的特点(3分钟了解VCSEL激光器)

Posted 2023-06-01

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激光显微镜激光器的特点(3分钟了解VCSEL激光器)

VCSEL激光器，优势明显

VCSEL全称为垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser），是半导体激光器的一种，当前以砷化镓半导体为基础材料的VCSEL居多，发射波长主要为近红外波段。

顾名思义，VCSEL是一种垂直于衬底面射出激光的激光器，有区别于传统的边发射半导体激光器，如F-P激光器(法布里-珀罗激光器)、DFB（分布式反馈激光器）。其可以在衬底上多个方向上排列多个激光器，从而形成并行光源或者面阵光源，是光纤通信或者光感测领域的主要光源之一。

相较于传统的半导体激光器，VCSEL有以下诸多优点[1]：

1）有源层体积极小，从而可以获得极低的工作阈值，如材料工艺发展可期待极低阈值甚至无阈值发光器件；

2）波长和阈值对温度变化相对不太敏感（当然VCSEL本身也属于半导体激光器的一种，也就逃脱不了温度对其影响的宿命，其波长相对于温度变化的温漂系数大约为0.06 nm/℃，相比于F-P激光器的0.3 nm/℃来说已经小很多了。）；

3）腔长量级与波长相近，甚至更小（半波长量级），故纵模间隔较大，可实现单纵模出射；

4）可得到较大的驰豫振荡频率，从而实现较高的调制频率；

5）出射圆形光斑，易于与光纤耦合；

6）封装简易，且可以形成二维激光阵列；

7）预期工作寿命达10万小时及以上。

43年后，从光通信到消费电子，VCSEL火了

其实早在VCSEL面世之前，半导体激光器已经发展了很多年，其主要代表就是传统的边发射激光器。1977年，日本东京工业大学的伊贺健一教授首次提出了垂直腔面发射激光器这一概念，当时主要想通过缩短腔长来获得稳定输出的单纵模半导体激光器，但由于这种设计单程增益长度短，很难获得激光激射，因此VCSEL早期的研究十分缓慢。

两年后，伊贺健一教授使用液相外延技术成功实现了77 K温度下GaInAsP系列激光器脉冲激射。1988年采用有机化学气相沉积技术生长外延材料实现了室温条件下连续工作的GaAs系列VCSEL。随着外延技术的不断发展，能够制造出反射率极高的半导体DBR结构，这大大加快了VCSEL的研究进程。到20世纪末，在研究机构尝试不同结构以后，此时也基本确定了氧化限制型结构VCSEL的主流地位，其后，就进入了成熟及性能不断优化提高的阶段。

随着VCSEL商业化对各光通信领域的渗透，为了满足在各种场景下的应用，高速率、低功耗、宽工作温度范围成为光通信VCSEL优化发展的新方向[2]。VCSEL 从诞生之日起就作为新一代光存储和光通信应用的核心器件，应用在光并行处理、光识别、光互联系统、光存储等领域，数据中心、超算中心等机架间连接常可以见到以VCSEL为光源的光模块。

当然除了最早涉足的光通信领域，VCSEL以其独特的结构特点在功耗、制造成本、集成、散热等方面的优势开始显现，也广泛应用于工业领域和消费电子领域，特别是自2017年苹果公司发布带有Face ID功能的iPhone X以来（其3D摄像头模组中主动红外投射点阵光源为结构光VCSEL），VCSEL在消费电子、安防、激光雷达等领域持续发力，到现在几乎成了各个领域近红外光学传感的宠儿。

工业和商业领域常见的应用有激光加工、医疗美容、环境监测、激光雷达、无人商店、智能门锁、安防摄像头、安防闸机等。消费电子领域包括激光鼠标、手机、平板电脑、无人机、扫地机器人、VR/AR、真无线蓝牙耳机、3D游戏机等等。

VCSEL的制造，不易

VCSEL结构一般由上、下布拉格反射镜(DBR)和中间有源区三部分组成，其典型的外延结构如图1所示从下到上依次是衬底、N型接触层、N型DBR、量子阱有源区、P型DBR、P型接触层。

图1 氧化限制顶发射激光器剖面示意图

其中有源区为器件最重要的组成部分，由于VCSEL腔长极短，需要腔内有源介质对激射模式提供较大的增益补偿。

对于电流注入型VCSEL多采用多量子阱结构提高材料的微分增益。DBR反射镜一般由折射率不同且厚度为光波长的四分之一的两种材料交替生长而成，为了减小光学损耗，N型DBR的反射率接近100%，可作为谐振腔的全反射镜，而P型DBR反射率相对较低，可作为谐振腔的出射镜。其中P型DBR中有一层或多层高铝组分AlGaAs层作为氧化限制层（图1中为双氧化层结构）。

采用多氧化层结构可以降低VCSEL器件的结电容，提高其调制带宽。横向电流和光场限制氧化孔径大小取决于器件整体性能设计，将影响器件阈值电流、峰值功率等关键参数。VCSEL的N/P型接触层用来制作N/P型欧姆电极，电流经过欧姆电极注入器件半导体材料。

VCSEL是半导体激光器的一种，其工作原理与其他半导体激光器本质上是相同的，只是在结构设计上有些许区别，比如在激光出射面上有别于边发射半导体激光器。

激光器就是利用半导体中的电子光跃迁引起光子受激发射而产生光振荡器和光放大器的总称，其产生激光同样要满足以下三个基本条件[3]：

1）建立有源区内载流子的反转分布；

2）合适的谐振腔使受激辐射在其中得到多次反馈形成激光振荡；

3）提供足够强的电流注入使得光增益大于或者等于各种损耗之和，满足一定的电流阈值条件。

三个基本条件对应着VCSEL器件结构的设计理念。VCSEL的有源区使用应变量子阱结构，建立起实现内部载流子反转分布的基础，同时设计合适的反射率的谐振腔使辐射出的光子形成相干振荡，最后提供足够强的注入电流使得光子能够克服器件自身的各种损耗形成激射。

实际制造过程中使用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）设备生长外延材料、生长外延结构过程中，以4寸半绝缘砷化镓作为外延衬底层，三甲基甲（TMGa）、三甲基铝（TMAl）、三甲基铟（TMIn）作为Ⅲ族源，砷烷（AsH3）作为Ⅴ族源，硅烷（SiH4）作为N型掺杂源，四溴化碳（CBr4）作为P型掺杂源。

外延生长过程中需要精确控制各层材料的生长温度、气体流量、时间等条件，使得生长的外延层结构和组分满足设计要求。外延生长结束后，经过一系列外延材料测试设备如光致荧光谱测试仪（PL）、X射线衍射仪（XRD）、原子力显微镜（AFM）、扩散浓度测试仪（ECV）等进行测试，外延片如果满足测试要求，那么就得到了合格的VCSEL外延片。

然后利用断点监控电感耦合等离子体刻蚀技术和精确湿法氧化控制技术等芯片制造技术，最后得到高速双台面同面电极结构VCSEL阵列芯片。随后再进行芯片解理、测试、分选、抽样老化及可靠性测试[4]。

华芯半导体科技有限公司是以IDM模式实现VCSEL器件量产的公司。如图2所示，从外延结构设计，外延生长，芯片制程，芯片封装及测试老化全部囊括在内，可自主生产光通信和光感测类VCSEL产品。

图2 华芯半导体商用25G VCSEL激光器制造流程

长波VCSEL，仍有瓶颈

通过对光纤损耗原因进行分析，人们发现光纤材料中的水汽（OH-）对光纤损耗影响很大。研究人员对生产光纤的工艺进行了改进，降低了水汽吸收的影响，而后发现光纤有三个低损耗窗口，分别是短波长0.85 μm、长波长1.31 μm和1.55 μm。

当前850 nm波段的VCSEL商用已经非常成熟，长波波段具有低色散和低损耗的特点，因此具有重要的应用。但在长波长范围内，垂直腔面发射激光器的研究进展较为缓慢，主要有以下原因：

1)很难将具有高反射率、低电阻、低热阻的DBR与能在长波长范围提供高增益的有源层集成在一起；

2)长波长波段，P型材料的电阻较大，造成发热严重，因此整体器件的电阻几乎全部来自于P型DBR。因此长波长VCSEL，合理的P-DBR设计对于减小器件的串联电阻，降低制作难度，延长器件使用寿命至关重要[1]。

未来趋势，可期

未来VCSEL激光器的发展根据其应用领域，将有以下趋势：

针对光通信用的VCSEL激光器：

1）更高调制带宽和传输速率；

2）更低的功耗；

3）更高的传输通道密度和多电平调制技术；

4）更宽的工作温度范围；

5）覆盖波段范围更广。

针对感测类应用的VCSEL激光器:

1）高的光电转换效率（PCE）；

2）更高的点阵密度；

3）高能量、低时延；

4）覆盖波段范围更广；

5）更宽的工作温度范围。

参考文献

[1] 伊贺健一，小山二三夫.面发射激光器基础与应用[M].科学出版社，2002.

[2] 彭真. 关于光通信VCSEL发展历史的浅析[J]. 信息通信， 2016000(004):195-197.

[3] 江剑平.半导体激光器[M].电子工业出版社，2000.

[4] 吕朝晨. 高速850 nm垂直腔面发射激光器阵列研究[D].北京工业大学，2018.

作者介绍

吕朝晨，华芯半导体科技有限公司工程应用部高级工程师，主要从事高速率垂直腔面发射激光器的研发。

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