但凡說到激光器,人們必須提及Vcsel,,也就是垂直腔面發(fā)射激光器:Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser。2017年蘋果公司iPhone X采用vcsel作為3D感應(yīng)技術(shù),,用于Proximity sensor和 Face ID模塊,徹底把Vcsel炒熱了。之后發(fā)現(xiàn)Vcsel在激光雷達(dá)LiDAR和氣體檢測(cè)等方面有很大的應(yīng)用市場(chǎng),。市場(chǎng)預(yù)期2023年市場(chǎng)還會(huì)擴(kuò)大10倍以上,。同時(shí)隨著光通訊數(shù)據(jù)中心的建設(shè),Vcsel激光器作為980nm等短波長激光器的使用量也會(huì)激增,。
Vcsel的應(yīng)用場(chǎng)景
市場(chǎng)預(yù)期
全球主要Vcsel供應(yīng)商
2. Vcsel的結(jié)構(gòu)和原理
如上圖,,我們都知道LD作為側(cè)發(fā)光的激光器,光源是從側(cè)邊出光面發(fā)射,,而且需要在AR面鍍?cè)鐾改?、HR面做高反膜。而Vcsel的光是從P型或N型表面直接發(fā)射出來,,有點(diǎn)像紅光LED的結(jié)構(gòu),。
芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)
Vcsel的光腔是采用有源區(qū)上方和下方的布拉格在外延工序沉淀而成,。
TO封裝后的Vcsel外形
我們以上圖的Vcsel的制備過程為例說明:
(1)通過MBE或Mocvd在砷化鎵的基板上,,交替生長GaAs和AlAs,交替生長層最終形成布拉格反射鏡,。GaAs和AlAs有這顯著不同的折射率,,但是他們二者的晶格常數(shù)基本相同,因此可以交替生長很多層而不產(chǎn)生位錯(cuò),,這也是為什么可以做出高反射率的鏡面效果,。
(2) 接著生長幾個(gè)量子阱有源區(qū)。
(3)在上面生長一組P摻雜的GaAs/AlAs,。
(4)刻蝕出一個(gè)圓環(huán)形區(qū)域,,從而定義出區(qū)域中直徑幾微米的激光器。
(5)通常金屬接觸位于頂部環(huán)繞器件環(huán)上,,通常要在頂部反射鏡堆疊中,,通過氧化暴露的AlAs層,使它形成氧化物不導(dǎo)電,,從而形成電流光闌,,以便漏斗電流僅流向器件的中心。
(6)P型布拉格反射鏡,。
(7)鍍上面P電極
(8)減薄到100um,,鍍N電極鍺鎳金。
3. Vcsel優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn):
(1)不需要單獨(dú)做反射鏡,,工藝簡單,。
(2)閾值電流僅為0.1mA,器件體積小,,電容小,,適用于10Gbit/s的高速調(diào)制系統(tǒng)。
(3)出光面是圓形,發(fā)射出來的光也是圓形,,且垂直腔的高度也只有幾微米,,縱模只有一個(gè),而且當(dāng)腔體直徑小于8um時(shí),,只有一個(gè)橫模存在,。十分方便出光耦合光線等。
(4)溫度特性好,,無需制冷,。
舉例:德國Mergeoptics公司生產(chǎn)的850nm Vcsel激光器,譜寬0.2nm,,平均發(fā)射功率-2.17dBm,,消光比6.36dB,相對(duì)強(qiáng)度噪音-128dB/Hz,。
缺點(diǎn):
輸出功率低,,腔長短。 長波長的外延很難做,,比如光通訊用的1310nm,、1550nm。
GaAs的vcsel有一個(gè)AlAs氧化工藝,,可以用來形成側(cè)向電流限制,,inp系的材料沒有這個(gè)工藝,側(cè)面電流限制做得不太好,。