Лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором ( VCSEL / ˈ v ɪ k s əl / ) представляет собой тип полупроводникового лазерного диода с излучением лазерного луча перпендикулярно верхней поверхности, в отличие от обычных полупроводниковых лазеров с краевым излучением (также плоскостных лазеров). ), которые излучаются с поверхностей, образованных в результате вырезания отдельного чипа из пластины . VCSEL используются в различных лазерных продуктах, включая компьютерные мыши , оптоволоконные средства связи , лазерные принтеры , Face ID [ 1] и умные очки . [2]
Производство VCSEL имеет несколько преимуществ по сравнению с процессом производства лазеров с краевым излучением. Краевые излучатели не могут быть проверены до окончания производственного процесса. Если краевой излучатель не работает должным образом из-за плохих контактов или плохого качества роста материала, время производства и материалы для обработки были потрачены впустую. Однако VCSEL можно тестировать на нескольких этапах процесса, чтобы проверить качество материала и проблемы с обработкой. Например, если переходные отверстия , электрические соединения между слоями схемы, не были полностью очищены от диэлектрического материала во время травления, промежуточный процесс тестирования покажет, что верхний металлический слой не контактирует с первоначальным металлическим слоем. Кроме того, поскольку VCSEL излучают луч перпендикулярно активной области лазера, а не параллельно, как при краевом излучателе, десятки тысяч VCSEL могут обрабатываться одновременно на трехдюймовой пластине арсенида галлия . Таким образом, хотя процесс производства VCSEL более трудоемкий и материалоемкий, выход можно контролировать для достижения более предсказуемого и более высокого результата. [3]
Лазерный резонатор состоит из двух зеркал распределенного брэгговского отражателя (DBR), параллельных поверхности пластины, с активной областью , состоящей из одной или нескольких квантовых ям для генерации лазерного света между ними. Плоские ДБР-зеркала состоят из слоев с чередующимися высокими и низкими показателями преломления. Каждый слой имеет толщину четверти длины волны лазера в материале, что обеспечивает коэффициент отражения интенсивности выше 99%. В VCSEL необходимы зеркала с высокой отражательной способностью, чтобы сбалансировать короткую осевую длину области усиления.
В обычных VCSEL верхнее и нижнее зеркала легированы материалами p-типа и n-типа , образуя диодный переход. В более сложных структурах области p-типа и n-типа могут быть встроены между зеркалами, что потребует более сложного полупроводникового процесса для установления электрического контакта с активной областью, но устраняет потери электрической мощности в структуре DBR.
При лабораторных исследованиях VCSEL с использованием новых материальных систем активная область может накачиваться внешним источником света с более короткой длиной волны , обычно другим лазером. Это позволяет продемонстрировать VCSEL без дополнительных проблем с достижением хороших электрических характеристик; однако такие устройства непрактичны для большинства применений.
VCSEL для длин волн от 650 до 1300 нм обычно основаны на пластинах арсенида галлия (GaAs) с РБО, сформированными из GaAs и арсенида алюминия-галлия (Al x Ga (1- x ) As). Система GaAs – AlGaAs предпочтительна для создания VCSEL, поскольку постоянная решетки материала не сильно меняется при изменении состава, что позволяет выращивать на подложке GaAs несколько эпитаксиальных слоев с «согласованной решеткой». Однако показатель преломления AlGaAs относительно сильно меняется по мере увеличения доли Al, что сводит к минимуму количество слоев, необходимых для формирования эффективного брэгговского зеркала, по сравнению с другими возможными системами материалов. Кроме того, при высоких концентрациях алюминия из AlGaAs может образовываться оксид, и этот оксид можно использовать для ограничения тока в VCSEL, обеспечивая очень низкие пороговые токи.
Основные методы ограничения тока в ВИЛ характеризуются двумя типами: ионно-имплантированные ВИЛ и оксидные ВИЛ.
В начале 1990-х годов телекоммуникационные компании отдавали предпочтение VCSEL с ионной имплантацией. Ионы (часто ионы водорода, H+) были имплантированы в структуру VCSEL повсюду, кроме апертуры VCSEL, разрушая структуру решетки вокруг апертуры и тем самым подавляя ток. В середине-конце 1990-х годов компании перешли к технологии оксидных VCSEL. Ток удерживается в оксидном VCSEL за счет окисления материала вокруг апертуры VCSEL. Слой с высоким содержанием алюминия, выращенный внутри структуры VCSEL, является окисленным слоем. В оксидных VCSEL также часто используется этап производства ионных имплантатов. В результате в оксидном VCSEL путь тока ограничивается ионным имплантатом и оксидной апертурой.
Первоначальное принятие оксидных VCSEL было связано с опасениями по поводу «выскакивания» отверстий из-за деформации и дефектов окислительного слоя. Однако после долгих испытаний надежность конструкции оказалась высокой. Как говорится в одном исследовании Hewlett Packard по оксидным VCSEL: «Результаты стресса показывают, что энергия активации и срок службы оксидного VCSEL аналогичны таковым у имплантированного VCSEL, излучающего такую же выходную мощность». [4] Производственная проблема также преследовала отрасль при переводе оксидных VCSEL из режима исследований и разработок в режим производства. Скорость окисления оксидного слоя сильно зависела от содержания алюминия. Любое незначительное изменение в алюминии могло изменить скорость окисления, что иногда приводило к тому, что отверстия были либо слишком большими, либо слишком маленькими, чтобы соответствовать стандартам спецификации.
Устройства с большей длиной волны, от 1300 до 2000 нм, были продемонстрированы, по крайней мере, с активной областью, сделанной из фосфида индия . VCSEL на еще более высоких длинах волн являются экспериментальными и обычно имеют оптическую накачку. Желательны VCSEL с длиной волны 1310 нм, поскольку дисперсия оптического волокна на основе диоксида кремния минимальна в этом диапазоне длин волн.
Поскольку излучения VCSEL исходят от верхней поверхности чипа, их можно протестировать на пластине , прежде чем они будут разделены на отдельные устройства. Это снижает стоимость изготовления устройств. Это также позволяет строить VCSEL не только в одномерных, но и в двумерных массивах .
Большая выходная апертура VCSEL по сравнению с большинством лазеров с торцевым излучением обеспечивает меньший угол расхождения выходного луча и обеспечивает высокую эффективность связи с оптическими волокнами.
Небольшая активная область по сравнению с лазерами с торцевым излучением снижает пороговый ток VCSEL, что приводит к низкому энергопотреблению. Однако на данный момент VCSEL имеют меньшую мощность излучения по сравнению с лазерами с краевым излучением. Низкий пороговый ток также обеспечивает широкую полосу модуляции в VCSEL. [9]
Длину волны VCSEL можно настроить в пределах полосы усиления активной области, регулируя толщину слоев отражателя.
В то время как ранние VCSEL излучали в нескольких продольных модах или в режимах накала, сейчас широко распространены одномодовые VCSEL.
Мощные лазеры поверхностного излучения с вертикальным резонатором также могут быть изготовлены либо путем увеличения размера излучающей апертуры одного устройства, либо путем объединения нескольких элементов в большие двумерные (2D) массивы. Сообщений об исследованиях мощных VCSEL было относительно немного. Об одиночных устройствах с большой апертурой мощностью около 100 мВт впервые сообщалось в 1993 году. [10] Улучшения в эпитаксиальном выращивании, обработке, конструкции устройств и упаковке привели к тому, что к 1998 году отдельные VCSEL с большой апертурой излучали несколько сотен милливатт. [11] В 1998 году также сообщалось о работе непрерывного излучения (CW) с мощностью более 2 Вт при температуре радиатора -10 градусов по Цельсию для массива VCSEL, состоящего из 1000 элементов, что соответствует плотности мощности 30 Вт/см 2 . [12] В 2001 году сообщалось о мощности более 1 Вт в непрерывном режиме и 10 Вт в импульсном режиме при комнатной температуре от 19-элементной матрицы. [13] Чип матрицы VCSEL был установлен на алмазном теплоотводе, что позволило воспользоваться преимуществами очень высокой теплопроводности алмаза . В 2005 году было сообщено о рекордной выходной мощности непрерывного излучения в 3 Вт от одиночных устройств большого диаметра, излучающих около 980 нм. [14]
В 2007 году сообщалось о выходной мощности непрерывного излучения более 200 Вт от большой (5 × 5 мм) матрицы 2D VCSEL, излучающей на длине волны 976 нм, [15] что представляет собой существенный прорыв в области мощных VCSEL. Достигнутый высокий уровень мощности был достигнут главным образом за счет улучшения эффективности и упаковки сетевой розетки . В 2009 году сообщалось об уровнях мощности >100 Вт для матриц VCSEL с длиной волны излучения около 808 нм. [16]
В этот момент технология VCSEL стала полезной для различных медицинских, промышленных и военных приложений, требующих высокой мощности или высокой энергии. Примеры таких приложений:
О поверхностной эмиссии объемного полупроводника при сверхнизкой температуре и удержании магнитных носителей сообщил Иварс Мелнгайлис в 1965 году. [18] [19] [20] Первое предложение VCSEL с коротким резонатором было сделано Кеничи Ига из Токийского технологического института. в 1977 году. Простое изображение его идеи показано в его исследовательской записке. В отличие от обычных полупроводниковых лазеров Фабри-Перо с краевым излучением, его изобретение содержит короткий лазерный резонатор, составляющий менее 1/10 от лазеров с краевым излучением, вертикальных по отношению к поверхности пластины. В 1979 году Сода, Ига, Китахара и Суэмацу впервые продемонстрировали VCSEL с коротким резонатором, [ 21] но об устройствах для работы в непрерывном режиме при комнатной температуре не сообщалось до 1988 года. [22] Термин VCSEL был придуман в публикации. из Оптического общества Америки в 1987 году. [23] В 1989 году Джек Джуэлл возглавил сотрудничество Bell Labs и Bellcore (включая Акселя Шерера , Сэма Макколла, Йонг Хи Ли и Джеймса Харбисона), которое продемонстрировало более 1 миллиона VCSEL на небольшом чипе. [24] [25] Эти первые полностью полупроводниковые лазеры VCSEL представили другие конструктивные особенности, которые до сих пор используются во всех коммерческих VCSEL. «Эта демонстрация стала поворотным моментом в развитии лазера поверхностного излучения. В эту область вошли еще несколько исследовательских групп, и вскоре со всего мира стало известно о многих важных инновациях». [26] Эндрю Янг из Агентства передовых оборонных исследовательских проектов (DARPA) быстро инициировал значительное финансирование исследований и разработок VCSEL, за которым последовали другие усилия по финансированию со стороны правительства и промышленности. [26] VCSEL заменили лазеры с краевым излучением в приложениях для оптоволоконной связи ближнего действия, таких как Gigabit Ethernet и Fibre Channel , и теперь используются для пропускной способности каналов от 1 до 400 гигабит в секунду или выше.