Physics 版 (精华区)

      垂直腔面发射激光器


    垂直腔面发射激光器（VCSELD）是一种与普通半导体激光器完全不同的新型
半导体激光器。我们知道，普通半导体激光器的谐振腔是利用晶体的解理面来构
成的，激光器各层的生长方向平行于晶体的解理面。普通半导体激光器中，光子
的谐振方向垂直于各层的生长方向（即在层内谐振），因而谐振腔长度可以在解
理时人为控制。

    垂直腔面发射激光器则不然，它的光子谐振方向平行于各层的生长方向（即
垂直于层谐振）这样，它的谐振腔就无法利用晶体的解理面，而必须采用生长的
方法来构成。形象地说，如果把半导体激光器比做一块放在桌上的三明志蛋糕，
那么垂直腔面发射激光器的辐射方向垂直于桌面，普通激光器则平行于桌面。
    垂直腔面发射激光器的谐振腔一般这样形成：在有源层的上下两边分别用两
种组分不同（当然折射率也不同）的半导体材料以四分之一波长的厚度交替生长，
形成分布式Brag反射器，由于相长干涉效应而产生高反射率，这类似于在玻璃基
片上镀高反射率膜。

    垂直腔面发射激光器由于结构上的特殊性而具有如下优点：
1. 由于谐振腔长度（即有源层的生长厚度）极短，一般为一个谐振波长，因而产
生了微腔自发辐射增强效应，可以实现极低阈值工作。
2. 发光方向垂直于衬底平面，其排列方式为面阵形式，特别适合于平行光互连和
光信息处理。
3. 有源区截面可以做成圆形（或方形），输出光为高斯基横模，圆形光斑，发散
角小，方向性好。
4. 由于谐振腔长度极短，很容易实现动态单纵模工作。
5. 器件截面和管间距可以做得很小，可实现高密度集成，特别是实现锁相列阵。
6. 由于没有解理腔，特别适于OEIC和PIC。

    垂直腔面发射激光器从工艺角度而言有很大难度：
1. 由于谐振腔长度极短，因而要求反射镜的反射率在98%以上。同时有源区增益要
很高，这对于微米量级的谐振腔长度而言的确很难。
2. 由于激射模间距很大，要求F-P腔谐振波长与量子阱激射波长匹配，实现这一点
的难度很大。
3. 为了获得高反射率，分布式BRAG反射器的层数很大，从工艺上来说要保证上百
层半导体材料的厚度都很均匀的确困难，而且使得器件的串联电阻很大，热特性变
差。

    由于这些原因，从1977年伊贺健一提出垂直腔面发射激光器概念起，直到1988
年才实现室温工作。目前国际上垂直腔面发射激光器已发展到较高水平，阈值电流
    垂直腔面发射激光器由于结构上的特殊性而具有如下优点：
1. 由于谐振腔长度（即有源层的生长厚度）极短，一般为一个谐振波长，因而产
生了微腔自发辐射增强效应，可以实现极低阈值工作。
2. 发光方向垂直于衬底平面，其排列方式为面阵形式，特别适合于平行光互连和
光信息处理。
3. 有源区截面可以做成圆形（或方形），输出光为高斯基横模，圆形光斑，发散
角小，方向性好。
4. 由于谐振腔长度极短，很容易实现动态单纵模工作。
5. 器件截面和管间距可以做得很小，可实现高密度集成，特别是实现锁相列阵。
6. 由于没有解理腔，特别适于OEIC和PIC。

    垂直腔面发射激光器从工艺角度而言有很大难度：
1. 由于谐振腔长度极短，因而要求反射镜的反射率在98%以上。同时有源区增益要
很高，这对于微米量级的谐振腔长度而言的确很难。
2. 由于激射模间距很大，要求F-P腔谐振波长与量子阱激射波长匹配，实现这一点
的难度很大。
3. 为了获得高反射率，分布式BRAG反射器的层数很大，从工艺上来说要保证上百
层半导体材料的厚度都很均匀的确困难，而且使得器件的串联电阻很大，热特性变
差。

    由于这些原因，从1977年伊贺健一提出垂直腔面发射激光器概念起，直到1988
年才实现室温工作。目前国际上垂直腔面发射激光器已发展到较高水平，阈值电流
已达到亚毫安级，输出功率大于1mW，器件效率可达到50%，截面直径3微米，发散角
约几度，已有报道的集成度为直径2毫米的基片上，集成32*64个器件。
    伊贺健一估计，当腔长为波长量级，器件尺寸达到微米或亚微米时，垂直腔面
发射激光器的性能可以达到：
    阈值电流：1微安
    外微分量子效率：50% （这一点实际上已达到，据说有报道70%的）
    单管输出功率：10毫瓦
    调制带宽：50GHz
    边模抑制比：40dB
    单模线宽：100kHz
    列阵功率：1千瓦

    垂直腔面发射激光器可能的应用：
1. 二维面发光阵列用于光计算和光互连，以及光信息处理上。
2. 高密度集成的垂直腔面发射激光器列阵可以实现高功率锁相列阵，这在军事上
有很大应用前景。
3. 由于垂直腔面发射激光器的腔长极短，因而调制速率很高，可以实现高速光开
关阵列。
5. 我们知道反向偏置的半导体激光器就是半导体探测器，所以反向偏置的垂直腔
面发射激光器二维面发光阵列就可以作为二维面接收阵列。
6. 在面阵上按一定规律集成红，绿，蓝光的激光器，可以构成RGB三色发光阵列，
用于彩色显示。
已达到亚毫安级，输出功率大于1mW，器件效率可达到50%，截面直径3微米，发散角
约几度，已有报道的集成度为直径2毫米的基片上，集成32*64个器件。
    伊贺健一估计，当腔长为波长量级，器件尺寸达到微米或亚微米时，垂直腔面
发射激光器的性能可以达到：
    阈值电流：1微安
    外微分量子效率：50% （这一点实际上已达到，据说有报道70%的）
    单管输出功率：10毫瓦
    调制带宽：50GHz
    边模抑制比：40dB
    单模线宽：100kHz
    列阵功率：1千瓦

    垂直腔面发射激光器可能的应用：
1. 二维面发光阵列用于光计算和光互连，以及光信息处理上。
2. 高密度集成的垂直腔面发射激光器列阵可以实现高功率锁相列阵，这在军事上
有很大应用前景。
3. 由于垂直腔面发射激光器的腔长极短，因而调制速率很高，可以实现高速光开
关阵列。
5. 我们知道反向偏置的半导体激光器就是半导体探测器，所以反向偏置的垂直腔
面发射激光器二维面发光阵列就可以作为二维面接收阵列。
6. 在面阵上按一定规律集成红，绿，蓝光的激光器，可以构成RGB三色发光阵列，
用于彩色显示。
    可以预见，垂直腔面发射激光器主要在下个世纪的通信，光互连，光信息处
理以及军用大功率激光等方面产生将重要影响。

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║★★★★★友谊第一  比赛第二★★★★★║
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※ 来源:．哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn [FROM: 202.118.229.92]

※ 修改:．zjliu 於 Jul  7 22:24:48 2003 修改本文．[FROM: 202.118.229.92]