VCSEL激光器主要性能參數(shù)介紹

1977年，日本東京工業(yè)大學(xué)的伊賀健一(KenichiIga)提出VCSEL的概念，VCSEL是垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)的簡(jiǎn)稱，是一種半導(dǎo)體激光器，其光學(xué)諧振腔與半導(dǎo)體芯片的襯底垂直，能夠?qū)崿F(xiàn)芯片表面的激光發(fā)射。與一般用切開的獨(dú)立芯片制程、激光由邊緣射出的邊射型激光有所不同，典型的VCSEL?為頂發(fā)射結(jié)構(gòu)。

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VCSEL主要由三部分組成，即激光工作物質(zhì)、崩浦源和光學(xué)諧振腔。工作物質(zhì)是發(fā)出激光的物質(zhì)，但不是任何時(shí)刻都能發(fā)出激光，必須通過(guò)崩浦源對(duì)其進(jìn)行激勵(lì)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，發(fā)出激光，但這樣得到的激光壽命很短，強(qiáng)度也不會(huì)太高，并且光波模式多，方向性很差。所以還必須經(jīng)過(guò)頂部反射鏡(Top Mirror)和底部反射鏡( Bottom? Mirror)組成的諧振腔，在激光腔(Laser Cavity)內(nèi)放大與振蕩，并由頂部反射鏡(Top Mirror)輸出，而且輸 出的光線只集中在中間不帶有氧化層(Oxide Layers)的部分輸出。這樣就形成了垂直腔面的激光發(fā)射，從而得到穩(wěn)定、持續(xù)、有一定功率的高質(zhì)量激光。結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示：

VCSEL的發(fā)光原理：VCSEL常用的原材料有砷化鎵、磷化銦或氮化鎵等發(fā)光化合物半導(dǎo)體。襯底方面，不同材料襯底厚底不同，但總體厚度約100-150um,在制作時(shí)保留300-600um厚，方便機(jī)器手抓取。外延方面，共200多層，總厚度才8-10um（包括諧振腔），外延片不能太厚，主要原因是MOCVD烤爐的時(shí)間效率（10um需要烤10小時(shí)）及偏差（越高越容易走形）考慮。VCSEL與其它半導(dǎo)體激光發(fā)光原理一樣，首先要實(shí)現(xiàn)能量激發(fā)，通過(guò)外加能量激發(fā)半導(dǎo)體的電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，當(dāng)電子由導(dǎo)帶返回價(jià)帶時(shí)，將能量以光能的型式釋放出來(lái)。然后依靠上下兩個(gè)DBR反射鏡和增益物質(zhì)組成的諧振腔實(shí)現(xiàn)共振放大，諧振腔使激發(fā)出來(lái)的光在上下兩個(gè)DBR反射鏡之間反射（諧振腔長(zhǎng)200nm，來(lái)回幾千次后，總路徑可長(zhǎng)達(dá)4mm），不停地通過(guò)發(fā)光區(qū)吸收光能，使受激光多次能量反饋而形成激光。

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。針對(duì)VCSEL激光器，金鑒實(shí)驗(yàn)室可對(duì)其進(jìn)行了不同層面的檢測(cè)。

一、VCSEL激光器主要性能參數(shù)：

1.正向電壓VF：指激光器工作在一定前向驅(qū)動(dòng)電流的條件下（一般為Ith+20mA）對(duì)應(yīng)的正向電壓值，包括激光器的帶隙電壓VBG及等效串聯(lián)電阻的壓降I*RL。

2.P-I特性曲線、轉(zhuǎn)換效率：指激光器總的輸出光功率P與注入電流I的關(guān)系曲線，曲線的斜率是激光器電光轉(zhuǎn)換效率SE(mW/mA)，它是激光器的量子效率與器件耦合效率的乘積。是衡量泵浦電流和發(fā)射光功率之間的線性關(guān)系，一般當(dāng)電流變大，發(fā)射光功率也隨之變大，所以單位為mW/mA。

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典型的激光器P-I曲線

由P-I曲線可知，LD是閾值型器件，隨注入電流的不同而經(jīng)歷了3個(gè)典型階段：?

當(dāng)注入電流較小時(shí)，有源區(qū)里不能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，自發(fā)輻射占主導(dǎo)地位，LD發(fā)射普通的熒光，光譜很寬，其工作狀態(tài)類似于一般的發(fā)光二極管。

隨著注入電流的加大，有源區(qū)里實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，受激輻射開始占主導(dǎo)地位，但當(dāng)注入電流仍小于閾值電流時(shí)，諧振腔里的增益還不足以克服損耗，不能在腔內(nèi)建立起一定模式的振蕩，LD發(fā)射的僅僅是較強(qiáng)的熒光，稱為“超輻射”狀態(tài)。

只有當(dāng)注入電流達(dá)到閾值以后，才能發(fā)射譜線尖銳、模式明確的激光，光譜突然變窄并出現(xiàn)單峰（或多峰）。

3.光束發(fā)散角：發(fā)散角越小，越容易與光纖及其他光學(xué)元件耦合且效率越高。

VCSEL輸出光束的遠(yuǎn)場(chǎng)分布如上圖所示，遠(yuǎn)場(chǎng)光束發(fā)散角為6.6°

4.峰值波長(zhǎng)：光譜中若干發(fā)射模式中最大強(qiáng)度的光譜波長(zhǎng)。

5.線寬：激光某一單獨(dú)模式下的光譜寬度，光譜儀可測(cè)試，一般表達(dá)形式：nm，Hz，cm-1。該參數(shù)與激光本身的波長(zhǎng)有關(guān)。

6.漏電流IR：漏電流大小對(duì)激光器的光均勻性影響很大，因此是衡量激光器件好壞的重要參數(shù)。

7.閾值電流：指激光器由自發(fā)輻射轉(zhuǎn)換到受激輻射狀態(tài)時(shí)的正向電流值，它與激光器的材料和結(jié)構(gòu)相關(guān)。值得注意的是高溫下閾值電流通常會(huì)增大，所以模塊的溫補(bǔ)偏置和調(diào)制電流通常是增大的。閾值電流可以通過(guò)LIV曲線來(lái)測(cè)量。

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8.均勻性：指激光器出光的均勻性，一般用近場(chǎng)方式測(cè)試。

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VCSEL的近場(chǎng)分布圖（曲線?abc表示不同VCSEL激光器）

9.溫度-波長(zhǎng)漂移：溫度對(duì)激光器結(jié)構(gòu)的影響可以分為三個(gè)部?分:?一是溫度的升高使得整個(gè)諧振腔材料膨脹，整個(gè)腔的物理長(zhǎng)度發(fā)生變化；?二是腔內(nèi)的空間層和?有源層的折射率隨溫度變化，導(dǎo)致整個(gè)腔的光學(xué)?長(zhǎng)度發(fā)生了變化；?三是分布布拉格反射鏡( DBR)?隨溫度而變化，導(dǎo)致中心波長(zhǎng)發(fā)生微小的變化，但由于DBR反射帶寬較寬，不影響整個(gè)器件性能。以上因素共同作用，最終將導(dǎo)致腔模發(fā)生漂移。

不同溫度條件下的中心波長(zhǎng)變化曲線

二、VCSEL激光器結(jié)構(gòu)

聚焦離子束(FIB)與掃描電子顯微鏡(SEM)耦合成為FIB-SEM雙束系統(tǒng)后，通過(guò)結(jié)合相應(yīng)的氣體沉積裝置，納米操縱儀，各種探測(cè)器及可控的樣品臺(tái)等附件成為一個(gè)可分析VCSEL芯片的常用設(shè)備。金鑒實(shí)驗(yàn)室通過(guò)FIB獲取芯片膜層剖面對(duì)各膜層檢查以及厚度的測(cè)量檢測(cè)工藝穩(wěn)定性。

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