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上，在高能級上的粒子受到某種光子的激發(fā)，從高能級躍遷到低能級上，這時將會輻射出與激發(fā)它的光相同性質(zhì)的光，而且在某種狀態(tài)下，能出現(xiàn)一個弱光激發(fā)出一個強(qiáng)光的現(xiàn)象。這就叫做“受激輻射的光放大”，簡稱激光。??
1960年7月7日，梅曼研制成功世界上第一臺激光器，梅曼的方案是，利用一個高強(qiáng)閃光燈管，來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，可使其達(dá)到比太陽表面還高的溫度。??
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、測量、探測、激光武器、條形碼識別等多個領(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，但它因無法實現(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)激光器解決了這個問題。1978年出現(xiàn)了世界上第一個半導(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>軸的方向劈成一對平行面，外加適當(dāng)偏壓，激光便能從這些平面發(fā)射出來。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，此結(jié)構(gòu)稱為法布里-帕羅腔，其典型腔長度約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，因為沿著結(jié)的整個區(qū)域皆可發(fā)射出激光。第三種結(jié)構(gòu)是長方形雙異質(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)會的年會上發(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。?
和國外相比，國內(nèi)對VCSEL的研究尚處于起步階段。上世紀(jì)90年代初，美國Bellcore公司的T.P.Lee博士回到祖國上海，攜帶的在光纖通信終端所使用的小巧玲瓏的VCSEL組件引起了國內(nèi)很多研究者的興趣。目前國內(nèi)中科院半導(dǎo)體所、長春光學(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，一組DBR一般由20-40對薄膜組成。諧振腔的厚度一般在幾個微米左右。與邊發(fā)射激光器的增益長度相比，VCSEL有源層的增益長度極小(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現(xiàn)單縱模、低閾值(亞毫安級)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)計將有著廣泛的應(yīng)用。VCSEL出光方向與襯底表面垂直，可以實現(xiàn)很好的橫向光場限制，進(jìn)行整片測試，得到圓形光束，易與制作二維陣列，外延晶片可以在整個工藝完成前，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.可以實現(xiàn)高速調(diào)制，能夠應(yīng)用于長距離、高速率的光纖通信系統(tǒng)。?
3.有源區(qū)體積小，容易實現(xiàn)單縱模、低閾值的工作。?
4.電光轉(zhuǎn)換效率可大于50%，可期待得到較長的器件壽命。?5.容易實現(xiàn)二維陣列，應(yīng)用于平行光學(xué)邏輯處理系統(tǒng)，實現(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芯片進(jìn)行檢測，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：?為了實現(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不同的波長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不同波長有不同的反射率。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)的長度、內(nèi)量子效率等選擇一最佳反射率。這可以通過在解離面后端面上鍍以增反膜，在前端面上鍍適當(dāng)透過率的光學(xué)膜實現(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度。如此短的諧振腔除了使其易于實現(xiàn)動態(tài)單縱模工作外，還提供了VCSEL工作時的高品質(zhì)因數(shù)。品質(zhì)因數(shù)Q是用來衡量諧振腔儲存信號能量的能力，它被定義為:
式中v為光波的頻率，w為腔內(nèi)存儲的光能量，dw/dt表示腔內(nèi)每秒損耗的能量。
VCSEL的增益長度較傳統(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，這就給外延生長增加了很大的難度。為了實現(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，形成人0l/4膜堆，實現(xiàn)99.5%以上的反射率，并可以單片形成VCSEL結(jié)構(gòu)，同時允許電流通過反射鏡注入。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)來實現(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，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)域中有一個凹陷位置，此位置是高反帶中的透射極大值，所對應(yīng)的波長即是腔模波長，即此處的光場經(jīng)過DBR的反射和腔的諧振，實現(xiàn)光場的輸出。由于在實際生長過程中，各外延層厚度與設(shè)計值存在偏差，從而導(dǎo)致腔模波長與設(shè)計的中心波長有一些偏離。在中心波長兩側(cè)存在對稱的峰值，峰值兩側(cè)反射率迅速下降，在峰值波長范圍內(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，這個小區(qū)域?qū)⒆兊酶?，說明多層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現(xiàn)窄線寬的光束輸出和某一頻率范圍內(nèi)真空場的增進(jìn)。量子阱的限制作用減弱了載流子的自由運(yùn)動，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)米能級高于半導(dǎo)體體材料，同時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中真空場存在各向異性，它能夠使窄頻率內(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)的材料及其對應(yīng)波長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對應(yīng)不同波長的有源區(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DBR(>30對)，給材料的生長帶來了困難。這使得長波長(1.3μm和1.55μm)VCSEL的發(fā)展遠(yuǎn)沒有短波長(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。由于近年來信息技術(shù)的高速發(fā)展，人們對信息傳輸速率和可靠性的要求越來越高，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自問世以來，成為許多應(yīng)用領(lǐng)域特別誘人的光源，如在光通信，光計算，光互聯(lián)，激光打印及光存儲等方面。VCSEL的主要優(yōu)點(diǎn)是其低成本的制作與封裝，低驅(qū)動電流，低發(fā)散角的圓形光束及可實現(xiàn)一維(1D)、二維(2D)高密度集成。近幾年來，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。