VCSEL芯片工作原理

2022-06-01 14:13:03

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      VCSEL的一个重要结构是激光谐振腔,它由上下两组分布式布拉格反射器P-DBR和N-DBR组成,而DBR是由多层折射率高低交替变换的化合物堆叠形成的。

      发光原理:在两组DBR中间的是VCSEL的激光有源区,它由多个量子阱(MQW)构成。这些MQW把电能转换为光能,是VCSEL发光的关键。其发出的光垂直于有源区射出并被DBR反射,当被反射回来的光再次通过有源区时会激励MQW发出更多的光,产生光放大。最终,光在两组DBR间形成共振放大,并产生颜色一致,并且能量聚集在轴线传播的激光。

      功率控制:紧贴在有源区上方的这一层化合物经过氧化处理,并形成一圈不导电的氧化物(Oxide,图上蓝色区域)。我们通过控制从外向内氧化的深度来控制中间未氧化部分的孔径(蓝色区域中间的浅灰色区域)。当向两个电极(P-contact和N-contact)施加电压时,这个孔径大小将影响纵向通过VCSEL的电流,从而决定VCSEL的功率等特性。

      制造和检测:半导体激光芯片通常有两种发光方式:1、垂直于芯片表面发光;2、从芯片切割后的边缘发光。由于半导体激光器中的光栅包含的周期性变换结构需要纳米级的制造精度,相比之下,垂直发光的激光器(VCSEL)更容易制造和检测。

      对于边缘出射型的激光器,激光的传播方向平行于基底,所以其DBR是横向展开并排列在芯片表面的周期性纳米结构。这种结构必须使用高精度光刻设备才能批量制造。

      但是,对于出射光垂直于基底的VCSEL,其DBR是在基底上由下至上依次堆叠形成的。这种多层结构的制造不需要使用高精度光刻机,而是使用成熟的分子外延技术。在外延的过程中,通过实时的光学检测可以精确控制DBR每一层的厚度。

边射型激光需要在测试前将晶圆切开并且打磨每个芯片的边缘至镜面。而VCSEL激光器的出射方向垂直于芯片表面,可以方便地直接在晶圆上进行测试。

      综上所述,由于测试和制造更容易,VCSEL比边射型激光器更具有成本优势。所以更加适合高密度、高速率和短距离的光通信系统。

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