垂直腔面发射激光器

2005/1/17/15:16    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  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  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  振腔一般这样形成：在有源?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. 由于谐振振腔长度（即有源的生长厚度）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  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  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