半导体激光二极管可以将电压转换为光子。VCSEL(垂直腔表面发射激光器)是半导体激光器的“亚种”之一。与边缘发射激光二极管相反,VCSEL的光从表面垂直发射,从而减少了安装空间,并能够让具有数十个,数百个甚至数千个发射器的阵列集成在单个芯片上。VCSEL的圆形光束形状能让激光束可以实现高效的光纤耦合。VCSEL还具备包括诸如:在晶片上的相对低成本的生产,高调制速度,高光束质量和能效等优势。

半导体激光二极管可以将电压转换为光子。VCSEL(垂直腔表面发射激光器)是半导体激光器的“亚种”之一。与边缘发射激光二极管相反,VCSEL的光从表面垂直发射,从而减少了安装空间,并能够让具有数十个,数百个甚至数千个发射器的阵列集成在单个芯片上。VCSEL的圆形光束形状能让激光束可以实现高效的光纤耦合。VCSEL还具备包括诸如:在晶片上的相对低成本的生产,高调制速度,高光束质量和能效等优势。

 

VCSEL从底部到顶部构造包括:

◆高反射率(99.9%)的布拉格反射器(DBR)

◆氧化层

◆有源激光层(带有量子膜和势垒的量子阱)

◆另一个带有圆形开口的氧化层,用于束成形

◆顶部部分反射(99%)的DBR。

当施加电压时,激光层充当量子阱。两个DBR层之间叠置了基于氮化镓,砷化镓或磷化铟的半导体,其中量子膜与由不同材料制成的势垒交替出现。如果在施加电压的情况下引入自由电子,则半导体们将被“捕获“在量子膜中。因为层间距离极薄,以至于被激光激发的电子只能在其中水平移动。另一方面,半导体们可以在阻挡层中自由循环,然而如果它们穿过高能量子膜,则会促进激射,换句话说,会在松弛过程中激发光子并激发能量。

在通信领域,自90年代末以来,VCSEL便必不可少。现在随着科技的发展,VCSEL不断地被开发出新的潜力,在医疗技术、工业流程,智能手机和自动驾驶的应用中越发常见,最近更是呈现爆发趋势。

从第一个商业VCSEL生产工厂投入使用以来,直到Finisar在2006年交付了第5,000万个VCSEL,这个过程用了十年时间。截止十一年后的2017年,这个被II-VI集团收购的VCSEL市场先驱者,已经售出了3亿台商用VCSEL。

在此期间,VCSEL的性能也迅速提高。例如,在通过光纤进行数据传输的光通信领域中,第一批VCSEL能够在当时调制高达1Gbps的速度,但是现在这个数值已经增加到25Gbps,在演示器中甚至高达56Gbps。

 

怀着乐观精神看待爆发前机

VCSEL在数据通信领域的发展已超出其原始市场,在其他领域而言,VCSEL已经在激光打印机,相机自动对焦系统和传感器技术方面立足。但是现在,VCSEL的供应商们在新的领域更加乐观。在行业中,强大的组织正在通过并购而形成,例如II-IV和Finisar,TRUMPF和PhilipsPhotonics,以及AMSTechnologies当前试图接管欧司朗的尝试。这是因为VCSEL技术正准备征服新的大众市场。

自2017年苹果推出首款采用基于VCSEL的面部识别和3D传感器的iPhone以来,新的市场动态已经发生了变化,现在越来越多的手机和消费电子设备选择集成VCSEL增强功能。通常情况下,一台手机里需要至少集成3个以上的VCSEL,同时,许多汽车相关的应用领域也在向VCSEL招手。通过使用时间飞行距离来测量,激光雷达系统可以在交通中引导高级驾驶员辅助系统和自动驾驶车辆,其基本技术是具有数百个甚至数千个腔的多模式VCSEL阵列。此外,汽车内饰还可以配备其他基于VCSEL的传感器系统。更加具有潜力的市场则在生物光子学和医疗技术中,VCSEL为微型脉搏血氧仪测量血液中的氧气铺平了道路,VCSEL可以用作FTIR光谱仪的参考激光器,并作为光学相干断层扫描(OCT)的光源。

工业生产中也可以看到VCSEL的身影。这是因为VCSEL阵列的功率正朝着中间的两位数瓦特范围发展,而且一些专家认为千瓦范围在将来非常具有可行性。垂直发射器的光束形状还可以实现高效的光纤耦合。因此,除了VCSEL在最初的热处理应用(增材制造)外,我们也越来越有可能看到VCSEL应用于工业切割/焊接/结构化和表面处理等工艺。

 

究竟是什么让VCSEL如此吸引人?

原因之一是它们的生产相对简单。直径为2英寸(5.08厘米)的晶片上最多可集成20,000个VCSEL。而质量检查则更为容易,检查完整的夹心结构是否建立在晶片上,还有观测激光是否向上发射其垂直光即可,可以使用集成电路的标准工艺和设备自动进行检查。VCSEL逐层结构的另一个优点是:可以轻松地将两个激光镜[使用分布式布拉格反射器(DBR)]放置在有源半导体层的下方和上方。与此相反,对于边缘发射激光二极管(EEL),制造商首先必须切割晶圆以附着镜层。除了减少生产工作量之外,VCSEL还具有高能效和上述的高度对称的圆形光束的好处,可确保有效的光纤耦合。

垂直发射器的波长和功率谱也在扩大,现在范围可从2300纳米的近红外直到380纳米的可见紫光。研究团队已经在研究用于紫外线范围的VCSEL。当前,脉冲操作的功率达到中间的两位数瓦特范围,而VCSEL阵列模块甚至达到三位数的功率范围。基于VCSEL的工业加热模块则是一种特殊情况,它们的功率几乎在两位数的千瓦范围内。基于数以千计的同步微二极管激光器发出的近红外光之上,功率密度超过100W/cm²,并且热量输入可以得到很好的控制的话,基于激光的加热模块可保证快速的热处理过程和大规模加工塑料的精度。

 

本文部分引用自:Laser world of photonics

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