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LiDAR和氣體檢測等方面有很大的應(yīng)用市場。市場預(yù)期2023年市場還會擴大10倍以上。同時隨著光通訊數(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激增。
Vcsel的應(yīng)用場景
市場預(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面鍍增透膜、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,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
優(yōu)點:
1)不需要單獨做反射鏡,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,而且當(dāng)腔體直徑小于8um時,只有一個橫模存在。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,相對強度噪音-128dB/Hz。
缺點:
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系的材料沒有這個工藝,側(cè)面電流限制做得不太好。