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该控件不支持该栏目类型 VCSEL技术2011-11-15
垂直腔面发射激光器（VCSEL）是一个相对较新的半导体激光器的类型。 VCSEL的首次在20世纪80年代中期发明的。 VCSEL的很快，获得了作为一个卓越的技术为短距离应用，如光纤通道，以太网和内部系统的连接等声誉。然后，VCSEL的商业可用性（1996）首两年内，成为局域网的首选技术，有效地取代了边发射激光器。这一成功主要是由于VCSEL的降低了制造成本和高可靠性的边缘发射器相比。
VCSEL的结构 半导体激光器包括在彼此顶部生长在基板上（“EPI”）的半导体材料层。 VCSEL和边缘发射器，这种增长是典型的分子束外延（MBE）或有机金属化学气相沉积（MOCVD）增长反应堆。相应增长晶圆处理单个设备。 在VCSEL，活性层是夹在两个高反射率的几个四分之一波长厚层交替的高和低折射率半导体镜（称为分布式布拉格反射镜，或DBRS）。这些反射镜的反射率通常范围在99.5〜99.9％。因此，光垂直振荡设备的顶部（或底部），并通过层层逃脱。无论是富铝层的选择性氧化，离子注入，或者对于某些应用，通常是通过电流和/或光学禁闭。的VCSEL可设计为“顶部发光”（EPI /空气界面）或“自下而上排放”，其中“结点”焊接散热更有效率，例如要求的情况下（通过透明基板） 。 相比之下，边发射器是由切块从晶圆的切割酒吧。由于空气和半导体材料之间的对比折射指数高，两个裂面作为镜子。因此，在边缘发射器的情况下，光振荡平行的层和逃逸副作用的方法。这个简单的VCSEL和边缘发射极之间的结构性差异，具有重要的意义。由于VCSEL的种植，加工和测试，同时仍然在晶圆形式，有显著的经济能力进行并行处理设备，即设备的利用率和产量最大化，成立时间和劳动含量的规模最小化。在一个VCSEL的情况下，镜子和活跃的地区依次堆放沿Y轴外延生长期间。 VCSEL的晶片接着形成的电子触点，通过蚀刻和金属化步骤。此时晶圆去测试个人激光设备的特点是一个传递失败的基础上。最后，晶圆是肉丁和分级或者更高级别的装配的激光器（通常> 95％）或报废（通常<5％）。下图显示了一个单一的高功率VCSEL器件（> 2W输出功率）高导热submount包装。在一个简单的法布里 - 珀罗边缘发射的成长过程中也会发生沿Y轴，但只创造了活跃的地区如镜涂料后沿Z轴。晶圆外延式增长后，经过金属化步骤，随后沿X轴切割，形成了一系列的晶圆条。晶圆条，然后堆放和装入涂层夹具。然后涂上晶圆条的Z轴边缘形成设备的镜像。这种涂料是一种边缘发射器的关键工艺步骤，任何涂料的不完善将导致在早期由于catastrophical光学损伤（COD）的设备和灾难性的失败。这种涂层的步骤后，晶圆条肉丁，形成离散激光芯片，然后再安装到运营商。最后，激光设备进入测试。同样重要的是要明白，VCSEL的消耗更少的材料：在一个3英寸晶圆的情况下，激光制造商可兴建约15000 VCSEL器件或类似的权力水平的约4000名边缘发射器。除了这些优势，VCSEL的也表现出优良的动态性能，如低阈值电流（几微安），噪音低，操作和高速数字调制（10 GB /秒）。此外，尽管VCSEL的一直局限于低功耗应用 - 在最几毫瓦特 - 他们的内在潜力的生产加工大2 - D数组非常高的权力。相比之下，边发射器不能处理的2 - D阵列。 VCSEL的优势 VCSEL技术提供的诸多优势可以归纳为以下几点： 1。波长稳定性：在一个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。边缘发射器相反，VCSEL的只能运行在一个单一的纵向模式。 2。波长均匀性和谱宽：生长技术改善了不到一个腔波长为2nm的标准偏差，这样的VCSEL 3“晶圆生产。这允许制造的VCSEL 2 - D数组数组的元素（<1nm的全宽半高谱宽）之间的小波长变化。相比之下，边发射栏栈遭受显著波长的变化，从酒吧吧，因为没有内在机制，以稳定的波长，在很宽的谱宽（3〜5nm的FWHM），。 3。波长的温度灵敏度：在VCSEL的发射波长不敏感的温度变化比边缘发射器〜5倍。原因是在VCSEL的激光波长是由单纵模腔的光学厚度和定义，这种光学厚度与温度的关系是最小的（腔的折射率和物理厚度有一个微弱的依赖温度）。另一方面，在边缘发射器的激光波长被定义为峰值增益波长，其中有一个对温度的依赖性更强。因此，高功率阵列（加热和温度梯度，可以显著）的谱线宽度是VCSEL阵列窄于边缘发射阵列（酒吧堆栈）。此外，超过20℃的温度变化，在VCSEL的发射波长会有所不同（〜7nm边缘发射器相比）小于1.4nm。 4。高温作业（泵的chillerless操作）：由于VCSEL的可以可靠地工作在温度高达80℃，就可以操作无需冷藏。因此，冷却系统就变得非常小，坚固耐用，这种方法移植。 5。因为栏酒吧，要保持冷却液的流动之间的差距，高功率，单位面积：边缘发射器提供最多约500W/cm2，而VCSEL的提供〜1200W /平方厘米，可以提供2 - 4KW /平方厘米在不久的将来。 6。光束质量：垂直腔面发射激光器发出通告束。通过适当的腔设计的VCSEL也可以在一个单一的横向模式（圆形高斯）发出。这种简支梁结构，大大降低了耦合/光束整形光学（边缘发射器相比）的复杂性和成本，提高了耦合效率光纤或输送介质。这一直是在低功耗市场的VCSEL技术的关键卖点。 7。可靠性：由于VCSEL的不受灾难性的光学损伤（COD），其可靠性比边缘发射器高得多。典型的拟合值的VCSEL（一亿美元的设备出现故障）<10。 8。 Manufacturabilty和产量：可生产的VCSEL已经为这项技术的关键卖点。由于复杂的制造工艺和COD（灾难性的光损伤），边缘发射器有一个低收益率（边缘发射980纳米泵的芯片制造商相关的可靠性问题，通常只得到2“晶圆〜500芯片）。另一方面，对VCSEL的收益率超过90％（相当于〜5000大功率芯片从2英寸晶圆）。事实上，由于其平面属性，VCSEL的制造标准的IC芯片处理相同。 9。可扩展性：对于高功率应用中，一个关键的VCSEL优势是，他们可以直接加工成单片的2 - D阵列，而这不是边缘发射器（可能只有一维的单片阵列）的可能。此外，一个复杂的热效率低下的安装计划是需要安装在栈边发射极棒。 10。包装和散热：安装的大型高功率VCSEL 2 - D的一个“结点”配置阵列很简单（类似微处理器包装），热搬迁过程中非常有效的，因为热遍历砷化铝镓材料只有几微米。已被证明5毫米的2 - D VCSEL阵列的5mm x <0.16K / W的创纪录的热阻抗。 11。成本：随着简单加工和散热技术，它比同等的边缘发射的酒吧栈封装的2 - D VCSEL阵列变得更加容易。建立现有硅业的散热技术，可用于非常高功率阵列的散热。这将显著降低高功率模块的成本。目前，激光棒的成本是DPSS激光器显性成本。
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