vcsel(垂直腔面发射激光器)


这是一篇通俗易懂又能全面了解vcsel的文章。

vcsel全称读作Vertical Cavity Surface Emitting Laser,中文译义是垂直腔面发射激光器。vcsel是一种激光沿腔面垂直发射的半导体激光器,所以可以分为两种发射方式,一种是顶部发射vcsel,一种是底部发射vcsel,如下图1-1。

 

vcsel(垂直腔面发射激光器)发射结构
图1-1

 

我解释一下这图中2种vcsel结构的英文解释:
 

1、P-contact是P型接触层,也是vcsel阳极,接正电;

2、N-contact是N型接触层,也是vcsel阴极,接负电;

3、P-DBR是上分布式布拉格反射镜;

4、N-DBR是下分布式布拉格反射镜;

5、Base是衬底;

6、active region是活跃层;

7、oxide aperture是氧化孔,这种氧化限制孔可以降低vcsel的阈值电流;

8、etch-stop是蚀刻停止层;

9、AR-coating是增透膜,减少光的反射光损失。

 

工作原理
 

vcsel的工作原理基于半导体材料粒子数反转。在vcsel中,电流通过激光器两侧的电极流动,产生的载流子在量子阱层内复合,进而产生光子。叠加的布拉格反射镜能形成一个垂直于LD芯片表面的光学谐振腔,控制光束的发射方向。
 

上面的太难理解,你可以认为其实vcsel的工作原理和大多半导体激光器都一样,通过P型和N型半导体材料形成的PN结通过自发光发出光子,再用两个反射镜约束这些光子再和半导体材料中的高能级粒子产生受激辐射,不断增多光子、光强变大的过程,只是VCSEL激光器产生的激光输出方向和EEL激光器的不太一样。

 

 

vcsel激光器结构
图2-1

 

像上图2-1,是一个常见vcsel激光器的外观,而我们上面说的图1-1的发射结构,只是图2-1中LD芯片,而这种LD芯片,通常需要相应的vcsel芯片厂家制作,值得庆幸的是,现在我们已经能用上国产vcsel芯片了。

 

vcsel和大部分半导体激光器的特征都很像,vcsel有如下的特征:

1、工作稳定:在一定的工作温度和注入电流范围内,其发出的激光功率相当稳定。

2、大功率密度:vcsel的辐射仅在一个很小的面积内产生,因此其功率密度非常大。

3、尺寸小:vcsel的工作物质是半导体材料,使得它的体积能做到非常小。

4、具有长寿命:在正常使用情况下,它的使用寿命可以达到几万到十万小时以上。

5、具有高转换效率:半导体激光器的转换效率是所有类型的激光器中最高的,可以达到30%~50%。

6、波长可调:通过改变半导体材料的组分或者施加外部调谐,可以改变激光的波长。

7、应用范围广:vcsel大小、效率和光谱特性,使其可以被广泛应用在光纤通信、条形码扫描、医疗设备、光盘驱动、工业检测等领域。

 

垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有许多优点,如高功率、小体积和低成本,因此被广泛应用在以下几个领域:

1. 数据通信:VCSEL广泛应用于短距离和中距离的高速数据传输光模块种,这些光模块又被应用到光纤通信系统,局域网(LAN)和数据中心中。

2. 汽车智能化:现在汽车工业中很火爆的自动驾驶,VCSEL就是用于自动驾驶激光雷达(LiDAR)系统种,这种系统使用激光测量物体的距离,对于自动驾驶汽车的安全驾驶至关重要。

3. 3D传感与人脸识别:VCSEL是1980年就研发出来了,只是一直进展缓慢,不受待见,直到用于智能手机的3D传感和人脸识别功能,才带火了这一技术,没错,就是苹果手机带火的,苹果手机的Face ID人脸识别技术就采用了VCSEL技术。

4. 医疗科技:VCSEL也用于生物科技领域,如基因测序,皮肤诊断等,其优良的线性度和频率调制性能能提供更高精度的测量结果。

5. 工业测距:在现代生产线上,VCSEL可用于测量位置和机械臂定位用途,是自动化不可缺少的光源技术。