半導(dǎo)體激光二極管可以將電壓轉(zhuǎn)換為光子。VCSEL(垂直腔表面發(fā)射激光器)是半導(dǎo)體激光器的“亞種”之一。與邊緣發(fā)射激光二極管相反,VCSEL的光從表面垂直發(fā)射,從而減少了安裝空間,并能夠讓具有數(shù)十個(gè),數(shù)百個(gè)甚至數(shù)千個(gè)發(fā)射器的陣列集成在單個(gè)芯片上。VCSEL的圓形光束形狀能讓激光束可以實(shí)現(xiàn)高效的光纖耦合。VCSEL還具備包括諸如:在晶片上的相對(duì)低成本的生產(chǎn),高調(diào)制速度,高光束質(zhì)量和能效等優(yōu)勢(shì)。
VCSEL從底部到頂部構(gòu)造包括:
◆高反射率(99.9%)的布拉格反射器(DBR)
◆氧化層
◆有源激光層(帶有量子膜和勢(shì)壘的量子阱)
◆另一個(gè)帶有圓形開口的氧化層,用于束成形
◆頂部部分反射(99%)的DBR。
當(dāng)施加電壓時(shí),激光層充當(dāng)量子阱。兩個(gè)DBR層之間疊置了基于氮化鎵,砷化鎵或磷化銦的半導(dǎo)體,其中量子膜與由不同材料制成的勢(shì)壘交替出現(xiàn)。如果在施加電壓的情況下引入自由電子,則半導(dǎo)體們將被“捕獲“在量子膜中。因?yàn)閷娱g距離極薄,以至于被激光激發(fā)的電子只能在其中水平移動(dòng)。另一方面,半導(dǎo)體們可以在阻擋層中自由循環(huán),然而如果它們穿過(guò)高能量子膜,則會(huì)促進(jìn)激射,換句話說(shuō),會(huì)在松弛過(guò)程中激發(fā)光子并激發(fā)能量。
在通信領(lǐng)域,自90年代末以來(lái),VCSEL便必不可少?,F(xiàn)在隨著科技的發(fā)展,VCSEL不斷地被開發(fā)出新的潛力,在醫(yī)療技術(shù)、工業(yè)流程,智能手機(jī)和自動(dòng)駕駛的應(yīng)用中越發(fā)常見,最近更是呈現(xiàn)爆發(fā)趨勢(shì)。
從第一個(gè)商業(yè)VCSEL生產(chǎn)工廠投入使用以來(lái),直到Finisar在2006年交付了第5,000萬(wàn)個(gè)VCSEL,這個(gè)過(guò)程用了十年時(shí)間。截止十一年后的2017年,這個(gè)被II-VI集團(tuán)收購(gòu)的VCSEL市場(chǎng)先驅(qū)者,已經(jīng)售出了3億臺(tái)商用VCSEL。
在此期間,VCSEL的性能也迅速提高。例如,在通過(guò)光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓馔ㄐ蓬I(lǐng)域中,第一批VCSEL能夠在當(dāng)時(shí)調(diào)制高達(dá)1Gbps的速度,但是現(xiàn)在這個(gè)數(shù)值已經(jīng)增加到25Gbps,在演示器中甚至高達(dá)56Gbps。
懷著樂(lè)觀精神看待爆發(fā)前機(jī)
VCSEL在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域的發(fā)展已超出其原始市場(chǎng),在其他領(lǐng)域而言,VCSEL已經(jīng)在激光打印機(jī),相機(jī)自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)和傳感器技術(shù)方面立足。但是現(xiàn)在,VCSEL的供應(yīng)商們?cè)谛碌念I(lǐng)域更加樂(lè)觀。在行業(yè)中,強(qiáng)大的組織正在通過(guò)并購(gòu)而形成,例如II-IV和Finisar,TRUMPF和PhilipsPhotonics,以及AMSTechnologies當(dāng)前試圖接管歐司朗的嘗試。這是因?yàn)閂CSEL技術(shù)正準(zhǔn)備征服新的大眾市場(chǎng)。
自2017年蘋果推出首款采用基于VCSEL的面部識(shí)別和3D傳感器的iPhone以來(lái),新的市場(chǎng)動(dòng)態(tài)已經(jīng)發(fā)生了變化,現(xiàn)在越來(lái)越多的手機(jī)和消費(fèi)電子設(shè)備選擇集成VCSEL增強(qiáng)功能。通常情況下,一臺(tái)手機(jī)里需要至少集成3個(gè)以上的VCSEL,同時(shí),許多汽車相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域也在向VCSEL招手。通過(guò)使用時(shí)間飛行距離來(lái)測(cè)量,激光雷達(dá)系統(tǒng)可以在交通中引導(dǎo)高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛車輛,其基本技術(shù)是具有數(shù)百個(gè)甚至數(shù)千個(gè)腔的多模式VCSEL陣列。此外,汽車內(nèi)飾還可以配備其他基于VCSEL的傳感器系統(tǒng)。更加具有潛力的市場(chǎng)則在生物光子學(xué)和醫(yī)療技術(shù)中,VCSEL為微型脈搏血氧儀測(cè)量血液中的氧氣鋪平了道路,VCSEL可以用作FTIR光譜儀的參考激光器,并作為光學(xué)相干斷層掃描(OCT)的光源。
工業(yè)生產(chǎn)中也可以看到VCSEL的身影。這是因?yàn)閂CSEL陣列的功率正朝著中間的兩位數(shù)瓦特范圍發(fā)展,而且一些專家認(rèn)為千瓦范圍在將來(lái)非常具有可行性。垂直發(fā)射器的光束形狀還可以實(shí)現(xiàn)高效的光纖耦合。因此,除了VCSEL在最初的熱處理應(yīng)用(增材制造)外,我們也越來(lái)越有可能看到VCSEL應(yīng)用于工業(yè)切割/焊接/結(jié)構(gòu)化和表面處理等工藝。
究竟是什么讓VCSEL如此吸引人?
原因之一是它們的生產(chǎn)相對(duì)簡(jiǎn)單。直徑為2英寸(5.08厘米)的晶片上最多可集成20,000個(gè)VCSEL。而質(zhì)量檢查則更為容易,檢查完整的夾心結(jié)構(gòu)是否建立在晶片上,還有觀測(cè)激光是否向上發(fā)射其垂直光即可,可以使用集成電路的標(biāo)準(zhǔn)工藝和設(shè)備自動(dòng)進(jìn)行檢查。VCSEL逐層結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是:可以輕松地將兩個(gè)激光鏡[使用分布式布拉格反射器(DBR)]放置在有源半導(dǎo)體層的下方和上方。與此相反,對(duì)于邊緣發(fā)射激光二極管(EEL),制造商首先必須切割晶圓以附著鏡層。除了減少生產(chǎn)工作量之外,VCSEL還具有高能效和上述的高度對(duì)稱的圓形光束的好處,可確保有效的光纖耦合。
垂直發(fā)射器的波長(zhǎng)和功率譜也在擴(kuò)大,現(xiàn)在范圍可從2300納米的近紅外直到380納米的可見紫光。研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在研究用于紫外線范圍的VCSEL。當(dāng)前,脈沖操作的功率達(dá)到中間的兩位數(shù)瓦特范圍,而VCSEL陣列模塊甚至達(dá)到三位數(shù)的功率范圍。基于VCSEL的工業(yè)加熱模塊則是一種特殊情況,它們的功率幾乎在兩位數(shù)的千瓦范圍內(nèi)。基于數(shù)以千計(jì)的同步微二極管激光器發(fā)出的近紅外光之上,功率密度超過(guò)100W/cm2,并且熱量輸入可以得到很好的控制的話,基于激光的加熱模塊可保證快速的熱處理過(guò)程和大規(guī)模加工塑料的精度。
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