一、激光器的發(fā)展?
1916年愛因斯坦提出了一套全新的技術(shù)理論‘受激輻射’。這一理論說(shuō)明在組成物質(zhì)的原子中，有不同數(shù)量的電子分布在不同的能級(jí)上，在高能級(jí)上的粒子受到某種光子的激發(fā)，從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)上，這時(shí)將會(huì)輻射出與激發(fā)它的光相同性質(zhì)的光，而且在某種狀態(tài)下，能出現(xiàn)一個(gè)弱光激發(fā)出一個(gè)強(qiáng)光的現(xiàn)象。這就叫做“受激輻射的光放大”，簡(jiǎn)稱激光。??
1960年7月7日，梅曼研制成功世界上第一臺(tái)激光器，梅曼的方案是，利用一個(gè)高強(qiáng)閃光燈管，來(lái)刺激在紅寶石色水晶里的鉻原子，從而產(chǎn)生一條相當(dāng)集中的纖細(xì)紅色光柱，當(dāng)它射向某一點(diǎn)時(shí)，可使其達(dá)到比太陽(yáng)表面還高的溫度。??
到目前為止，激光產(chǎn)業(yè)得到空前發(fā)展，制造出了各種各樣的激光產(chǎn)品，其中包括固體激光器、氣體激光器、液體激光器以及其他激光器。涉及到醫(yī)學(xué)治療、工業(yè)切割、測(cè)量、探測(cè)、激光武器、條形碼識(shí)別等多個(gè)領(lǐng)域，具有非常誘人的前景。?
二、半導(dǎo)體激光器發(fā)展及應(yīng)用?
半導(dǎo)體激光器的發(fā)展是從上世紀(jì)60年代開始的。當(dāng)時(shí)的半導(dǎo)體激光器主要是同質(zhì)結(jié)激光器，外形類似于晶體二極管，故常被稱為二極管激光器，但此種激光器在實(shí)際應(yīng)用中存在很多限制。第二階段是異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器，首先是單異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器，但它因無(wú)法實(shí)現(xiàn)室溫下連續(xù)工作而被淘汰，然后出現(xiàn)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器解決了這個(gè)問(wèn)題。1978年出現(xiàn)了世界上第一個(gè)半導(dǎo)體量子阱激光器，大幅度提升了半導(dǎo)體激光器的各項(xiàng)性能。?
如圖2.1所示，半導(dǎo)體激光器有三種基本結(jié)構(gòu)。第一種結(jié)構(gòu)為基本的p-n結(jié)激光器稱為同質(zhì)結(jié)激光器。這種結(jié)構(gòu)在結(jié)的兩端使用相同的半導(dǎo)體材料，沿著垂直于<110>軸的方向劈成一對(duì)平行面，外加適當(dāng)偏壓，激光便能從這些平面發(fā)射出來(lái)。二極管的另外兩側(cè)則加以粗糙化處理，以消除激光從這兩側(cè)射出的機(jī)會(huì)，此結(jié)構(gòu)稱為法布里-帕羅腔，其典型腔長(zhǎng)度約300μm。這種法布里-帕羅腔結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于近代半導(dǎo)體激光中。
第二種結(jié)構(gòu)是雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光，類似于三明治，有一層很薄的半導(dǎo)體被另一種不同的半導(dǎo)體所包夾。?
前兩種結(jié)構(gòu)是大面積激光，因?yàn)檠刂Y(jié)的整個(gè)區(qū)域皆可發(fā)射出激光。第三種結(jié)構(gòu)是長(zhǎng)方形雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光。?
半導(dǎo)體的特性主要包括閾值特性和效率、空間模式、線寬、動(dòng)態(tài)特性以及可靠性等。?
三、垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）的原理及應(yīng)用?
⑴發(fā)展歷史：1977年日本東京工學(xué)院的Iga教授首先提出了面發(fā)射
半導(dǎo)體激光器的設(shè)想，并且在1978年應(yīng)用物理學(xué)會(huì)的年會(huì)上發(fā)表了第一篇關(guān)于面發(fā)射激光器的論文。隨著分子束外延(MBE)及金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)出現(xiàn)，1986年Iga教授的科研小組制備出了6mA的面發(fā)射激光器，并且在1987年應(yīng)用MOCVD技術(shù)在GaAs襯底上研制出了第一只室溫(RT)連續(xù)激射(CW)的VCSEL。從20世紀(jì)90年代初期開始，VCSEL的研究得到了飛速發(fā)展，取得了很多成果。?
和國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)對(duì)VCSEL的研究尚處于起步階段。上世紀(jì)90年代初，美國(guó)Bellcore公司的T.P.Lee博士回到祖國(guó)上海，攜帶的在光纖通信終端所使用的小巧玲瓏的VCSEL組件引起了國(guó)內(nèi)很多研究者的興趣。目前國(guó)內(nèi)中科院半導(dǎo)體所、長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、北京工業(yè)大學(xué)等單位都在進(jìn)行VCSEL的研究工作，但主要集中在0.85μm和0.98μm波段。?
⑵基本機(jī)構(gòu)：顧名思義，邊發(fā)射激光器是沿平行于襯底表面、垂直于解理面的方向出射，而面發(fā)射激光器其出光方向垂直于襯底表面，如圖3.1和3.2所示：
在面發(fā)射激光器中最常見的類型是垂直腔型面發(fā)射激光器(VCSEL)，其由三部分組成:上分布布拉格反射器(Distributed?Bragg?Reflector，即DBR)、諧振腔和下分布布拉格反射器。DBR 是由折射率不同的兩種薄膜構(gòu)成的多層膜系，每層膜的光學(xué)厚度是四分之一波長(zhǎng)，一組DBR一般由20-40對(duì)薄膜組成。諧振腔的厚度一般在幾個(gè)微米左右。與邊發(fā)射激光器的增益長(zhǎng)度相比，VCSEL有源層的增益長(zhǎng)度極小(幾十納米)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)激射，DBR必須具有很高的反射率(一般大于99%)。根據(jù)DBR所使用的材料不同，VCSEL可分為刻蝕阱VCSEL、半導(dǎo)體膜光學(xué)膜VCSEL及全外延半導(dǎo)體膜VCSEL等。?
⑶特點(diǎn)：由于VCSEL與邊發(fā)射激光器有著不同的結(jié)構(gòu)，這就決定了兩者之間有不同的特點(diǎn)和性能，下表中列出了兩種激光器的基本參數(shù)。
從表中我們可以看出，VCSEL有源區(qū)的體積小、腔短，這就決定了它容易實(shí)現(xiàn)單縱模、低閾值(亞毫安級(jí))電流工作，但是為了得到足夠高的增益，其腔鏡的反射率必須達(dá)到99%。VCSEL具有較高的弛豫振蕩頻率，從而在高速數(shù)據(jù)傳輸以及光通信中，預(yù)計(jì)將有著廣泛的應(yīng)用。VCSEL出光方向與襯底表面垂直，可以實(shí)現(xiàn)很好的橫向光場(chǎng)限制，進(jìn)行整片測(cè)試，得到圓形光束，易與制作二維陣列，外延晶片可以在整個(gè)工藝完成前，節(jié)約了生產(chǎn)成本。?
VCSEL的優(yōu)點(diǎn)主要有:?
l.出射光束為圓形，發(fā)散角小，很容易與光纖及其他光學(xué)元件耦合且效率高。?
2.可以實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制，能夠應(yīng)用于長(zhǎng)距離、高速率的光纖通信系統(tǒng)。?
3.有源區(qū)體積小，容易實(shí)現(xiàn)單縱模、低閾值的工作。?
4.電光轉(zhuǎn)換效率可大于50%，可期待得到較長(zhǎng)的器件壽命。?5.容易實(shí)現(xiàn)二維陣列，應(yīng)用于平行光學(xué)邏輯處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高速、大容量數(shù)據(jù)處理，并可應(yīng)用于高功率器件。?
6.器件在封裝前就可以對(duì)芯片進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)行產(chǎn)品篩選，極大降低了產(chǎn)品的成本。?
7.可以應(yīng)用到層疊式光集成電路上，可采用微機(jī)械等技術(shù)。?
⑷設(shè)計(jì)：?為了實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和閾值條件，以使激光器產(chǎn)生相干
輻射輸出，除了需要有直接帶隙半導(dǎo)體有源介質(zhì)外，光子反饋諧振是實(shí)現(xiàn)上述條件的根本保證，也是半導(dǎo)體激光器與半導(dǎo)體二極管的區(qū)別所在。實(shí)現(xiàn)這種反饋諧振的機(jī)構(gòu)叫光學(xué)諧振腔。按結(jié)構(gòu)，可以分為內(nèi)腔和外腔。按光波遭受反射的位置，又可分為集中反饋和分布反饋。所謂集中反饋是光波在有確定的反射率和位置的諧振腔面上被反射。而分布反饋則是在光波傳播過(guò)程中連續(xù)的被反饋，如分布反饋半導(dǎo)體激光器和分布布拉格反射激光器就是這樣。還可以按反射面的對(duì)不同的波長(zhǎng)的反射情況分為均勻反饋和選擇反饋。所謂選擇反饋是反射面對(duì)不同波長(zhǎng)有不同的反射率。理想的激光器反饋應(yīng)該是后端面的反射率為1，而前端面的反射率根據(jù)增益區(qū)的長(zhǎng)度、內(nèi)量子效率等選擇一最佳反射率。這可以通過(guò)在解離面后端面上鍍以增反膜，在前端面上鍍適當(dāng)透過(guò)率的光學(xué)膜實(shí)現(xiàn)。?
VCSEL的激光腔的方向垂直于半導(dǎo)體芯片的襯底，有源層的厚度為諧振腔長(zhǎng)度。如此短的諧振腔除了使其易于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)單縱模工作外，還提供了VCSEL工作時(shí)的高品質(zhì)因數(shù)。品質(zhì)因數(shù)Q是用來(lái)衡量諧振腔儲(chǔ)存信號(hào)能量的能力，它被定義為:
式中v為光波的頻率，w為腔內(nèi)存儲(chǔ)的光能量，dw/dt表示腔內(nèi)每秒損耗的能量。
VCSEL的增益長(zhǎng)度較傳統(tǒng)的邊發(fā)射型激光器短很多，在這么短的增益長(zhǎng)度中，要獲得足夠高的增益，就必須依賴高質(zhì)量的腔鏡，這就給外延生長(zhǎng)增加了很大的難度。為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高Q值的腔鏡，VCSEL采用了分布布拉格反射鏡(OBR)結(jié)構(gòu)。目前人們主要采用半導(dǎo)體反射鏡，利用高低折射率半導(dǎo)體材料多層相間生長(zhǎng)，形成人0l/4膜堆，實(shí)現(xiàn)99.5%以上的反射率，并可以單片形成VCSEL結(jié)構(gòu)，同時(shí)允許電流通過(guò)反射鏡注入。但這種結(jié)構(gòu)由于高低折射率材料間形成了異質(zhì)結(jié)，使得反射鏡的串聯(lián)電阻增加，嚴(yán)重地影響VCSEL的性能，甚至造成VCSEL不能激射。為了降低反射鏡的串聯(lián)電阻，很多研究者用漸變DBR結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)低電阻，獲得了較低的串聯(lián)電阻，收到了良好的效果。為了獲得高質(zhì)量的器件，在提高腔鏡反射率的同時(shí)，還必須設(shè)法提高有源區(qū)的增益，為此大多數(shù)研究者均采用了多量子阱結(jié)構(gòu)提高有源區(qū)的增益。
圖3.3為VCSEL中DBR的反射率譜。圖中的高反帶區(qū)域中有一個(gè)凹陷位置，此位置是高反帶中的透射極大值，所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)即是腔模波長(zhǎng)，即此處的光場(chǎng)經(jīng)過(guò)DBR的反射和腔的諧振，實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)的輸出。由于在實(shí)際生長(zhǎng)過(guò)程中，各外延層厚度與設(shè)計(jì)值存在偏差，從而導(dǎo)致腔模波長(zhǎng)與設(shè)計(jì)的中心波長(zhǎng)有一些偏離。在中心波長(zhǎng)兩側(cè)存在對(duì)稱的峰值，峰值兩側(cè)反射率迅速下降，在峰值波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光只能在腔內(nèi)振蕩，不能形成輸出光。圖中明顯的“凹陷”圖樣，這是多層DBR微腔激光器的固有特性。隨著DBR層數(shù)的增加，這個(gè)小區(qū)域?qū)⒆兊酶?，說(shuō)明多層DBR具有嚴(yán)格的選模作用，因此多層DBR有利于微腔激光器實(shí)現(xiàn)窄線寬的光束輸出和某一頻率范圍內(nèi)真空?qǐng)龅脑鲞M(jìn)。量子阱的限制作用減弱了載流子的自由運(yùn)動(dòng)，使電子的公有化程度變?nèi)?，相同?shù)量載流子在量子阱填充的費(fèi)米能級(jí)高于半導(dǎo)體體材料，同時(shí)量子阱的存在破壞了晶體的各向同性，這樣引起TE模自發(fā)發(fā)射躍遷增強(qiáng)；另一方面，由于DBR的反射率因波長(zhǎng)不同而變化，其在一定頻率范圍內(nèi)接近全反射，于是VCSEL中真空?qǐng)龃嬖诟飨虍愋裕軌蚴拐l率內(nèi)電子和空穴復(fù)合向某一方向輻射的光子增多，因此在量子阱和DBR微腔的共同作用下，量子阱VCSEL總的自發(fā)發(fā)射譜強(qiáng)度約相當(dāng)于自由空間下半導(dǎo)體材料的10倍。?
VCSEL有源區(qū)的材料及其對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)VCSEL的材料體系分為兩部分:一部分是有源區(qū)的材料體系，另外一部分是DBR的材料體系。在下圖3.4中列出了VCSEL對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)的有源區(qū)材料體系。
GalnN/GaN體系的材料可以延伸到紫外光波段，從而可以應(yīng)用到光盤及一些顯示設(shè)備上。?
另有一些科研工作者考慮采用II-VI族的一些化合物來(lái)制備光盤中的綠光VCSEL，但是除了InP基CdZnSe及相應(yīng)的GaN基材料體系，其他的材料體系的研究進(jìn)展較慢。在VCSEL中，DBR反射鏡既可以采用光學(xué)薄膜,也可以采用半導(dǎo)體薄膜。兩種不同的光學(xué)膜可以具有很高的折射率差，幾對(duì)DBR可以得到很高的反射率，但是光學(xué)薄膜本身不導(dǎo)電，對(duì)電流注入均勻性有影響。GaAs/AIGaAS是目前為止應(yīng)用最為廣泛、最為成熟的DBR材料體系。兩種材料具有高的折射率差(△n)，在20-30對(duì)之間就可以獲得很高的反射率。而在InP基的VCSEL中，InGaASP/InP、AlGalnAs/InP四元系材料熱導(dǎo)率低，折射率差小，為獲得高的反射率就需要很多對(duì)DBR(>30對(duì))，給材料的生長(zhǎng)帶來(lái)了困難。這使得長(zhǎng)波長(zhǎng)(1.3μm和1.55μm)VCSEL的發(fā)展遠(yuǎn)沒(méi)有短波長(zhǎng)(0.85μm和0.98μm)VCSEL迅速。?
四、總結(jié)?
從1960年人類首次制造出激光器并成功發(fā)射激光開始，人們認(rèn)識(shí)到了激光重要特性和激光器的廣泛應(yīng)用前景。從此，激光器的研究受到世界各國(guó)科學(xué)家和科研愛好者的青睞。并且在短短的50年內(nèi)研制出氣體激光器、固體激光器、液體激光器、半導(dǎo)體激光器等。由于近年來(lái)信息技術(shù)的高速發(fā)展，人們對(duì)信息傳輸速率和可靠性的要求越來(lái)越高，于是光纖通信應(yīng)運(yùn)而生。而光纖通信系統(tǒng)的存在離不開半導(dǎo)體激光器的關(guān)鍵支撐，所以半導(dǎo)體激光器得到了充分的研究和發(fā)展。?
目前用于光纖通信和光信息處理的半導(dǎo)體激光器中應(yīng)用最有前景的便是本文介紹的重點(diǎn)—垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)。VCSEL自問(wèn)世以來(lái)，成為許多應(yīng)用領(lǐng)域特別誘人的光源，如在光通信，光計(jì)算，光互聯(lián)，激光打印及光存儲(chǔ)等方面。VCSEL的主要優(yōu)點(diǎn)是其低成本的制作與封裝，低驅(qū)動(dòng)電流，低發(fā)散角的圓形光束及可實(shí)現(xiàn)一維(1D)、二維(2D)高密度集成。近幾年來(lái)，性能優(yōu)異的氧化物限制型VCSEL不斷被發(fā)現(xiàn)，主要涉及其低閾值電流，高輸出功率，高電光轉(zhuǎn)換效率，低工作電壓，高調(diào)制帶寬和高產(chǎn)額。