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高功率垂直腔面发射激光器（VCSEL）技术【完整版】
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高功率垂直腔面发射激光器〔VCSEL〕技术

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高功率垂直腔面发射激光器〔VCSEL〕技术

高功率垂直腔面发射激光器〔VCSEL〕技术，为光泵浦、工业和医疗等应用提供了可靠的高温工作特性。高功率边发射半导体激光器广泛应用于工业、医疗以及国防等多个领域，也是固体激光器泵浦和光纤激光器泵浦的普遍选择。然而众所周知，在高功率密度下，边发射半导体激光器的发射腔面容易产生光学灾变性损坏〔COD〕，这是导致高功率边发射半导体激光器性能下降的一个致命因素。[1]相比之下，垂直腔面发射激光器〔VCSEL〕中那么没有COD，因为其增益区是嵌入到外延结构中的，因此也不会暴露在外界环境中〔见图1〕。此外，在边发射半导体激光器中，与边发射结相连的光波导的面积相对较小，从而导致其比VCSEL具有更高的功率密度。通常，一个典型的边发射激光器的故障率〔FIT率定义为每10亿个器件工作小时中所出现的故障数〕为500或更高。[2]相比之下，VCSEL的FIT率为10或更小。[3][4]也就是说，一个使用VCSEL作泵浦源的系统，其使用寿命至少要比用边发射激光器作泵浦源长50倍。
图1：在单个顶部发射VCSEL器件中，电流和模式禁闭是通过一个富含铝层的选择性氧化实现的，其输出光为圆形低发散光束，光束方向垂直于外延层〔左图〕；而边发射激光器的输出光为椭圆形光束，光束方向与外延层平行〔右图〕。“激活能量〞EA，通常用来描述与某一特定技术相关的故障对温度的依赖性。这个参数是通过作为反转结温度的函数的一系列平均故障时间得出的。在边发射激光器中，因为COD诱发的故障对温度非常敏感，其典型的激活能量为0.45eV；而VCSEL器件因为不受COD的影响，其激活能量为0.7eV，几乎是边发射激光器的两倍。较高的激活能量意味着：如果只考虑温度对FIT的影响，那么工作在80°C高温条件下的VCSEL的可靠性，要比工作在40°C条件下的边发射激光器的可靠性高出400倍还多！许多VCSEL器件已经在80°C高温下运作了足够长的时间，其在性能方面并没有衰减的迹象。有人甚至让VCSEL器件工作在更高的温度下。[5]VCSEL器件在高温下可靠运作的能力是一个重要优势，这使其对冷却的需求大大降低。利用这些优势，我们制造了大型高功率VCSEL阵列，并且在不使用制冷机〔即使用冷却水或乙烯乙二醇等再循环冷却剂的一个制冷系统〕的条件下运作。因为没有制冷设备，所以该VCSEL阵列的结构更加紧凑，总体效率也更高。VCSEL阵列制造为了实现高功率运作的VCSEL器件，我们制作了平行运作的单一器件的二维〔2D〕阵列。VCSEL器件的制造，与成熟的低本钱硅集成电路平面处理类似。在VCSEL器件的制造中，反射镜和激活区沿着外延生长方向顺序堆叠。输出光的偏振方向与激活层垂直，并以圆形和低发散的光束从器件顶部〔或底部〕输出。接下来，VCSEL晶圆要进行刻蚀和金属镀膜步骤，以形成电接触。针对具体应用情况，电流和光发射的约束通常是通过对一个富含铝层进行选择性氧化、离子注入，或是二者兼施的方法来实现的。VCSEL器件可以设计成“顶部发射〞〔在epi/空气界面〕或“底部发射〞〔通过透明基底〕，例如为实现更加有效的热沉而需要进行倒装焊的情况。经过加工后，晶圆便进入测试步骤。这个步骤要对每个芯片测试，看其是否合格。接下来是晶圆划片，最后是对芯片进行更高级别的封装〔利用率非常高，一般在95％以上〕或是报废。晶圆被切割成单一的芯片，或是由以平行方式有效连接的单一芯片构成的阵列。该阵列可以是线性的〔一维〕、长方形或正方形〔2D〕。此外，在一个VCSEL阵列中，单个芯片的位置是由照片光刻技术定义的，它可以对该芯片进行任意设计布局，放置位置可以精确到微米级。根据应用的不同，VCSEL二维阵列所包含的单芯片数量可以从几百个到几千个。由于VCSEL的谐振腔是由夹在两个分布布拉格反射镜〔DBR〕之间的一个波长级腔长构成，因此其输出光是单纵模的，输出波长具有固有的稳定性〔约0.065nm/K〕，因而不需要额外的波长稳定装置或外部光学元件；而边发射激光器是需要波长稳定装置的。此外，由于半导体生长技术和封装技术的进步，从大型VCSEL二维阵列中发射的波长的一致性非常好，光谱宽度约为0.8nm。