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技术科普丨VCSEL激光器是什么？

2018-10-13 14:00:09 来源: 半导体行业观察

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VCSEL

垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL，又译垂直共振腔面射型激光）是一种半导体激光器，就像名字所说的，其激光垂直于顶面射出。

▲垂直腔面发射激光器

在介绍VCSEL工作原理之前，有几个基本概念需要和大家介绍一下。

光的反射折射与折射率：

小伙伴们应该看到过把筷子或者铅笔放在水杯里，看上去好像折断，发生了偏折，这个现象的原理是发生了光的折射。而且折射率越大，偏折越厉害，因为光在介质中的速度发生了变化。光在介质中的速度与介质的折射率有关，光在介质中的速度(v)愈大，则介质的折射率(n)愈小；光在介质中的速度(v)愈小，则介质的折射率(n)愈大。

▲光的折射

DBR分布布拉格反光镜：

DBR（Distributed Bragg Reflector）

沿着光前进的方向设计出特别的不同折射率材料交替的膜层，形成折射率大(n大)、折射率小(n小)、折射率大(n大)、折射率小(n小)…的周期性结构，光在折射率大的介质中，传播速度变慢；在折射率小的介质中，传播速度变快，如下图所示。所以，利用DBR光栅的这个特性，我们可以将输入光的波长范围变小，从而可以控制光的反射与穿透比率。

谐振腔：

激光的发光区我们称之为谐振腔(Cavity)，谐振腔通常由两块与轴线垂直的反射镜构成，如图所示，光波在两片镀了DBR膜的镜子之间来回反射，不停地通过发光区吸收光能，最后产生谐振效应。谐振腔的作用是选择频率一定，方向一致的光的最先放大，其他方向的光加以抑制，并逸出腔外，剩下的光则继续前进，在反射镜中不断往返产生振荡。

在谐振腔内，利用谐振效应，部分粒子的能量达到一定值时，便可形成激光。

激光二极管的电激发光：

(EL：Electroluminescence)

以砷化镓激光二极管(GaAs laser diode)为例，利用二极管内的金属电极，对着芯片施加电压，当芯片吸收电能产生能量激发，发出某一种波长(颜色)的光。在两个反射镜中来回往返来产生谐振效应，进行放大，形成激光。为了把激光引出腔外，右方的反射镜可以透射一部分的光，透射部分的光就可以成为可利用的激光。

▲激光二级管发射激光的原理示意图

量子阱(quantum well)：

量子阱有着三明治一样的结构，中间是很薄的一层半导体膜，外侧是两个隔离层。用激光朝量子阱闪一下，可以使中间的半导体层里产生电子和带正电的空穴，电子会与空穴结合，放出光子。

VCSEL工作原理：

DBR反射镜技术的VCSEL实现原理如下：

VCSEL其发光区通常由多量子阱组成，发光区上下两边分别由像奶油一样被多层分布式布拉格反光镜包裹，相邻层之间的折射率差使每组迭层的布拉格波长附近的反射率达到极高（＞99％）的水平。每层之间存放一部分量子阱，量子阱个数根据实际的折射率进行设定，一般为1至4个，它们被置于共振腔驻波图形的最大处附近，以便获得最大的受激辐射效率而进行来回反射与震荡。

▲VCSEL结构图

相比其他光源，VCSE具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉、易集成为大面积阵列等优点，广泛应用与光通信、光互连、光存储等领域。并且目前与多模光纤的耦合效率竟能大于90％，效率非常高。

光源类型	LED 光源	固体激光器	边发射激光器	单腔垂直腔面发射激光器
厚度(mm)	0.1	20	4	0.1
引脚面积(mm 2 )	0.2	100	0.05	0.04
功率(W)	0.05	10	1	0.05
成本($/W)	高	很高	高	低
光束形状	高角度	圆形	椭圆形	圆形
频率	10	10	500	50000
温漂	0.3		0.3	0.07

VCSEL光源可调变频率就达数Giga(十的九次方) Hz，传输速率自然也有Giga bps等级。另外VCSEL所需的驱动电压和电流很小，使得寿命有千万小时以上，为其他光源的100倍以上。所以说，VCSEL给3D传感技术的实现提供了关键技术。

由于VCSEL是光从垂直于半导体衬底表面方向出射的一种半导体激光器，具有模式好、低闸值电流、稳定性好、寿命长、调制速率高、集成高、发散角小、耦合效率高、价格便宜等很多优点。因为在垂直于衬底的方向上可并行排列着多个激光器，所以非常适合应用在并行光传输以及并行光互连等领域，其相比传统电缆系统可以以更快的速度传输更大的数据量。速度达到每秒40G。

未来VCSEL的其它应用：

传感器与数据传输是VCSEL的最大应用，VCSEL相比LED有更优越的性能，这里以我们身边常用的手机为例。目前智能手机里的接近传感器，当你接电话脸贴屏幕时，屏幕灯会熄灭，并自动锁屏，防止脸部误操作，当你脸离开时，屏幕灯会自动开启，自动解锁。智能手机中大量使用LED式接近传感器，在手机接近面颊时关闭屏幕以免误操作。如果我们利用VCSEL激光传感器，可以做出更低功耗更精确距离检测的手机接近传感器。同理，未来很多需要传感器的设施与设备，VCSEL绝对会是最好的选择。