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【金鉴出品】如何挑选一款优质的VCSEL激光器发布时间:2020-02-17

1977年,日本东京工业大学的伊贺健一(KenichiIga)提出VCSEL的概念,VCSEL是垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)的简称,是一种半导体激光器,其光学谐振腔与半导体芯片的衬底垂直,能够实现芯片表面的激光发射。与一般用切开的独立芯片制程、激光由边缘射出的边射型激光有所不同,典型的VCSEL 为顶发射结构。




 

VCSEL主要由三部分组成,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,方向性很差。所以还必须经过顶部反射镜(Top Mirror)和底部反镜( Bottom  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。结构示意图如下图所示:


 


VCSEL的发光原理:VCSEL常用的原材料有砷化镓、磷化铟或氮化镓等发光化合物半导体。衬底方面,不同材料衬底厚底不同,但总体厚度约100-150um,在制作时保留300-600um厚,方便机器手抓取。外延方面,共200多层,总厚度才8-10um(包括谐振腔),外延片不能太厚,主要原因是MOCVD烤炉的时间效率(10um需要烤10小时)及偏差(越高越容易走形)考虑。VCSEL与其它半导体激光发光原理一样,首先要实现能量激发,通过外加能量激发半导体的电子由价带跃迁到导带,当电子由导带返回价带时,将能量以光能的型式释放出来。然后依靠上下两个DBR反射镜和增益物质组成的谐振腔实现共振放大,谐振腔使激发出来的光在上下两个DBR反射镜之间反射(谐振腔长200nm,来回几千次后,总路径可长达4mm),不停地通过发光区吸收光能,使受激光多次能量反馈而形成激光。





1960年人类首次制造出激光器并成功发射激光开始,人们认识到了激光重要特性和激光器的广泛应用前景。从此,激光器的研究受到世界各国科学家和科研爱好者的青睐。针对VCSEL激光器,金鉴实验室可对其进行了不同层面的检测。


一、VCSEL激光器主要性能参数:


1.正向电压VF指激光器工作在一定前向驱动电流的条件下(一般为Ith+20mA)对应的正向电压值,包括激光器的带隙电压VBG及等效串联电阻的压降I*RL


2.P-I特性曲线转换效率指激光器总的输出光功率P与注入电流I的关系曲线,曲线的斜率是激光器电光转换效率SE(mW/mA),它是激光器的量子效率与器件耦合效率的乘积。衡量泵浦电流和发射光功率之间的线性关系,一般当电流变大,发射光功率也随之变大,所以单位为mW/mA



典型的激光器P-I曲线


      由P-I曲线可知,LD是阈值型器件,随注入电流的不同而经历了3个典型阶段: 


当注入电流较小时,有源区里不能实现粒子数反转,自发辐射占主导地位,LD发射普通的荧光,光谱很宽,其工作状态类似于一般的发光二极管。

随着注入电流的加大,有源区里实现了粒子数反转,受激辐射开始占主导地位,但当注入电流仍小于阈值电流时,谐振腔里的增益还不足以克服损耗,不能在腔内建立起一定模式的振荡,LD发射的仅仅是较强的荧光,称为“超辐射”状态。

只有当注入电流达到阈值以后,才能发射谱线尖锐、模式明确的激光,光谱突然变窄并出现单峰(或多峰)。


3.光束发散角:发散角越小,越容易与光纤及其他光学元件耦合且效率越高。


 

VCSEL输出光束的远场分布如上图所示,远场光束发散角为6.6°


4.峰值波长:光谱中若干发射模式中最大强度的光谱波长。


 


5.线宽:激光某一单独模式下的光谱宽度,光谱仪可测试,一般表达形式:nmHzcm-1。该参数与激光本身的波长有关。



 

6.漏电流IR:漏电流大小对激光器的光均匀性影响很大,因此是衡量激光器件好坏的重要参数。


7.阈值电流:指激光器由自发辐射转换到受激辐射状态时的正向电流值,它与激光器的材料和结构相关。值得注意的是高温下阈值电流通常会增大,所以模块的温补偏置和调制电流通常是增大的。阈值电流可以通过LIV曲线来测量。



 

8.均匀性:指激光器出光的均匀性,一般用近场方式测试。


 

VCSEL的近场分布图(曲线 abc表示不同VCSEL激光器)


9.温度-波长漂移:温度对激光器结构的影响可以分为三个部 一是温度的升高使得整个谐振腔材料膨胀,整个腔的物理长度发生变化; 二是腔内的空间层和 有源层的折射率随温度变化,导致整个腔的光学 长度发生了变化; 三是分布布拉格反射镜( DBR) 随温度而变化,导致中心波长发生微小的变化,但由于DBR反射带宽较宽,不影响整个器件性能以上因素共同作用,最终将导致腔模发生漂移。



不同温度条件下的中心波长变化曲线


二、VCSEL激光器结构


聚焦离子束(FIB)与扫描电子显微镜(SEM)耦合成为FIB-SEM双束系统后,通过结合相应的气体沉积装置,纳米操纵仪,各种探测器及可控的样品台等附件成为一个可分析VCSEL芯片的常用设备。金鉴实验室通过FIB获取芯片膜层剖面对各膜层检查以及厚度的测量检测工艺稳定性。



 

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