수직 캐비티 표면 방출 레이저

Vertical-cavity surface-emitting laser
단순 VCSEL 구조 다이어그램.

수직 캐비티 표면 방출 레이저(VCSEL /ˈvɪksəl/)는 웨이퍼에서 개별 칩을 분리해 형성된 표면에서 방출되는 기존의 엣지 방출 반도체 레이저(평면 내 레이저)와는 달리 상단 표면에서 수직으로 레이저 빔 방출이 발생하는 반도체 레이저 다이오드의 일종이다. VCSEL은 컴퓨터 마우스, 광섬유 통신, 레이저 프린터, 페이스ID,[1] 스마트 글래스 등 다양한 레이저 제품에 사용된다.[2]

생산장점

VCSEL을 생산하는 데는 엣지 방출 레이저의 생산 과정과 대조적으로 몇 가지 장점이 있다. 엣지-이물질은 생산공정이 끝날 때까지 시험할 수 없다. 접촉 불량이나 자재 성장 품질 불량 등으로 인해 엣지-이미터가 제 기능을 하지 못하면 생산 시간과 가공 자재가 낭비된 것이다. 그러나 VCSEL은 공정 전체에 걸쳐 여러 단계에서 테스트하여 재료 품질 및 처리 문제를 확인할 수 있다. 예를 들어 회로 층 사이의 전기 연결인 비아스가 에치 동안 유전 물질을 완전히 제거하지 못한 경우 중간 시험 프로세스는 상단 금속 층이 초기 금속 층에 접촉하지 않고 있음을 표시한다. 또한 VCSEL은 엣지 이미터와 평행하지 않게 레이저의 활성 영역에 수직으로 빔을 방출하기 때문에 3인치 갈륨 비소 웨이퍼에서 수만 개의 VCSEL을 동시에 처리할 수 있다. 나아가 VCSEL 생산 공정이 더 노동력과 재료 집약적이어도 수율을 보다 예측 가능한 결과로 제어할 수 있다.

Structure

A realistic VCSEL device structure. This is a bottom-emittingmultiple-quantum-well VCSEL.

The laser resonator consists of two distributed Bragg reflector (DBR) mirrors parallel to the wafer surface with an active region consisting of one or more quantum wells for the laser light generation in between. The planar DBR-mirrors consist of layers with alternating high and low refractive indices. Each layer has a thickness of a quarter of the laser wavelength in the material, yielding intensity reflectivities above 99%. High reflectivity mirrors are required in VCSELs to balance the short axial length of the gain region.

In common VCSELs the upper and lower mirrors are doped as p-type and n-type materials, forming a diode junction. In more complex structures, the p-type and n-type regions may be embedded between the mirrors, requiring a more complex semiconductor process to make electrical contact to the active region, but eliminating electrical power loss in the DBR structure.

In laboratory investigation of VCSELs using new material systems, the active region may be pumped by an external light source with a shorter wavelength, usually another laser. This allows a VCSEL to be demonstrated without the additional problem of achieving good electrical performance; however such devices are not practical for most applications.

VCSELs for wavelengths from 650 nm to 1300 nm are typically based on gallium arsenide (GaAs) wafers with DBRs formed from GaAs and aluminium gallium arsenide (AlxGa(1-x)As). The GaAs–AlGaAs system is favored for constructing VCSELs because the lattice constant of the material does not vary strongly as the composition is changed, permitting multiple "lattice-matched" epitaxial layers to be grown on a GaAs substrate. However, the refractive index of AlGaAs does vary relatively strongly as the Al fraction is increased, minimizing the number of layers required to form an efficient Bragg mirror compared to other candidate material systems. Furthermore, at high aluminium concentrations, an oxide can be formed from AlGaAs, and this oxide can be used to restrict the current in a VCSEL, enabling very low threshold currents.

VCSEL에서 전류를 제한하는 주요 방법은 이온증식 VCSEL과 옥사이드 VCSEL의 두 가지 유형이 특징이다.

1990년대 초 통신사들은 이온배출 VCSEL을 선호하는 경향이 있었다. 이온(흔히 수소 이온, H+)은 VCSEL의 개구부를 제외한 모든 곳에 VCSEL 구조물에 이식되어 개구부 주위의 격자 구조가 파괴되어 전류를 억제한다. 1990년대 중후반, 기업들은 산화물 VCSEL 기술을 향해 나아갔다. 전류가 VCSEL의 개구부 주변의 물질을 산화시켜 산화물 VCSEL에 갇혀 있다. VCSEL 구조 내에서 자라는 고함량 알루미늄 층은 산화된 층이다. 산화물 VCSEL도 이온 임플란트 생산 단계를 채택하는 경우가 많다. 그 결과 산화물 VCSEL에서는 현재 경로가 이온 임플란트와 산화물 개구부에 의해 제한된다.

산화 VCSEL의 초기 수용은 산화층의 변형과 결함으로 인해 "빠져 나가는" 개구부에 대한 우려로 인해 문제가 되었다. 그러나, 많은 시험 결과, 구조물의 신뢰성은 견고하다는 것이 입증되었다. Hewlett Packard가 산화물 VCSELs에 대한 한 연구에서 밝힌 바와 같이, "스트레스 결과를 보면 산화물 VCSEL의 활성화 에너지와 마모 수명은 동일한 양의 출력 전력을 방출하는 임플란트 VCSEL과 유사하다."[3] 산화물 VCSEL을 연구개발에서 생산 모드로 전환할 때 생산에 대한 우려 또한 산업계를 괴롭혔다. 산화층의 산화율은 알루미늄 함량에 따라 크게 좌우되었다. 알루미늄의 약간의 변화는 산화율을 변화시켜 때때로 너무 크거나 너무 작아서 규격 표준을 충족시킬 수 없다.

1300 nm에서 2000 nm까지의 긴 파장 소자는 인듐 인산염으로 만들어진 활성 부위로 입증되었다. 훨씬 더 높은 파장의 VCSEL은 실험적이고 대개 광학적으로 펌프질을 한다. 1310nm VCSEL은 실리카 기반 광섬유의 분산이 이 파장 범위에서 미미하므로 바람직하다.

Special forms

Multiple active region devices (aka bipolar cascade VCSELs)
Allows for differential quantum efficiency values in excess of 100% through carrier recycling
VCSELs with tunnel junctions
Using a tunnel junction (n+p+), an electrically advantageous n-n+p+-p-i-n configuration can be built that also may beneficially influence other structural elements (e.g. in the form of a Buried Tunnel Junction (BTJ)).
Tunable VCSELs with micromechanically movable mirrors (MEMS)
(either optically [4] or electrically pumped [5][6])
Wafer-bonded or wafer-fused VCSEL
Combination of semiconductor materials that can be fabricated using different types of substrate wafers[7]
Monolithically optically pumped VCSELs
Two VCSELs on top of each other. One of them optically pumps the other one.
VCSEL with longitudinally integrated monitor diode
A photodiode is integrated under the back mirror of the VCSEL. VCSEL with transversally integrated monitor diode: With suitable etching of the VCSEL's wafer, a resonant photodiode can be manufactured that may measure the light intensity of a neighboring VCSEL.
VCSELs with external cavities (VECSELs)
VECSELs are optically pumped with conventional laser diodes. This arrangement allows a larger area of the device to be pumped and therefore more power can be extracted - as much as 30W. The external cavity also allows intracavity techniques such as frequency doubling, single frequency operation and femtosecond pulse modelocking.
Vertical-cavity semiconductor optical amplifiers
VCSOAs are optimized as amplifiers as opposed to oscillators. VCSOAs must be operated below threshold and thus require reduced mirror reflectivities for decreased feedback. In order to maximize the signal gain, these devices contain a large number of quantum wells (optically pumped devices have been demonstrated with 21–28 wells) and as a result exhibit single-pass gain values which are significantly larger than that of a typical VCSEL (roughly 5%). These structures operate as narrow linewidth (tens of GHz) amplifiers and may be implemented as amplifying filters.

특성.

VCSEL은 칩의 상단 표면에서 방출되기 때문에 개별 장치로 분해되기 전에 웨이퍼에서 테스트할 수 있다. 이것은 기기의 제작 비용을 줄인다. VCSEL을 1차원뿐만 아니라 2차원 배열로도 구축할 수 있도록 했다.

VCSEL의 출력 간극이 대부분의 엣지 방출 레이저에 비해 크면 출력 빔의 발산 각도가 낮아지고 광섬유로 높은 결합 효율이 가능하다.

엣지 방출 레이저에 비해 작은 활성 영역은 VCSEL의 임계 전류를 감소시켜 전력 소비량이 낮다. 다만 VCSEL은 엣지 발광 레이저에 비해 배기량이 낮다. 낮은 임계값 전류는 VCSEL에서 높은 내인성 변조 대역폭도 허용한다.[8]

VCSEL의 파장은 반사기 층의 두께를 조정하여 활성 영역의 게인 밴드 내에서 조정할 수 있다.

초기 VCSEL은 다중 세로 모드 또는 필라멘트 모드에서 방출되는 반면, 단일 모드 VCSEL은 현재 일반적이다.

고출력 VCSEL

고출력 수직 캐비티 표면 방출 레이저도 단일 장치의 방출 개구부 크기를 늘리거나 여러 원소를 2차원(2D) 대형 배열로 결합하여 제작할 수 있다. 고출력 VCSEL에 대한 연구는 비교적 거의 보고되지 않았다. 약 100mW의 대규모 단일 장치는 1993년에 처음 보고되었다.[9] 상피 성장, 가공, 기기 설계 및 포장의 개선으로 1998년까지 개별 대형 어퍼처 VCSEL이 수백 밀리와트를 방출하게 되었다.[10] 섭씨 -10도의 열-싱크 온도에서 2 W 이상의 연속파(CW) 작동도 1998년 30 W/cm의2 전력 밀도에 해당하는 1,000개의 원소로 구성된 VCSEL 어레이에서 보고되었다.[11] 2001년에는 상온에서 1 W CW 이상의 전력과 10 W의 펄스 전력이 19 소자 배열에서 보고되었다.[12] VCSEL 어레이 칩은 다이아몬드의 매우 높은 열 전도성을 이용하여 다이아몬드 열 확산기에 장착되었다. 2005년에 약 980 nm의 큰 직경의 단일 장치에서 기록적인 3 W CW 출력 전력이 보고되었다.[13]

In 2007, more than 200 W of CW output power was reported from a large (5 × 5mm) 2D VCSEL array emitting around the 976 nm wavelength,[14] representing a substantial breakthrough in the field of high-power VCSELs. The high power level achieved was mostly due to improvements in wall-plug efficiency and packaging. In 2009, >100 W power levels were reported for VCSEL arrays emitting around 808 nm.[15]

At that point, the VCSEL technology became useful for a variety of medical, industrial, and military applications requiring high power or high energy. Examples of such applications are:

Applications

History

The surface emission from a bulk semiconductor at ultra-low temperature and magnetic carrier confinement was reported by Ivars Melngailis in 1965.[17][18][19] The first proposal of short cavity VCSEL was done by Kenichi Iga of Tokyo Institute of Technology in 1977. A simple drawing of his idea is shown in his research note. Contrary to the conventional Fabry-Perot edge-emitting semiconductor lasers, his invention comprises a short laser cavity less than 1/10 of the edge-emitting lasers vertical to a wafer surface. In 1979 a first demonstration on a short cavity VCSEL was done by Soda, Iga, Kitahara and Suematsu,[20] but devices for CW operation at room temperature were not reported until 1988.[21] The term VCSEL was coined in a publication of the Optical Society of America in 1987.[22] In 1989, Jack Jewell led a Bell Labs / Bellcore collaboration (including Axel Scherer, Sam McCall, Yong Hee Lee and James Harbison) that demonstrated over 1 million VCSELs on a small chip.[23][24] These first all-semiconductor VCSELs introduced other design features still used in all commercial VCSELs. "This demonstration marked a turning point in the development of the surface-emitting laser. Several more research groups entered the field, and many important innovations were soon being reported from all over the world".[25] Andrew Yang of the Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) quickly initiated significant funding toward VCSEL R&D, followed by other government and industrial funding efforts.[25] VCSELs replaced edge-emitting lasers in applications for short-range fiberoptic communication such as Gigabit Ethernet and Fibre Channel, and are now used for link bandwidths from 1 Gigabit/sec to > 400 Gigabit/sec.

See also

References

  1. ^ Extance, Andy (9 April 2018). "Faces light up over VCSEL prospects". SPIE.
  2. ^ Bohn, Dieter (5 February 2018). "Intel made smart glasses that look normal". The Verge.
  3. ^ Lei, C.; Deng, H.; Dudley, J.J.; Lim, S.F.; Liang, B.; Tashima, M.; Herrick, R.W. (1999). "Manufacturing of oxide VCSEL at Hewlett Packard". 1999 Digest of the LEOS Summer Topical Meetings: Nanostructures and Quantum Dots/WDM Components/VCSELs and Microcavaties/RF Photonics for CATV and HFC Systems (Cat. No.99TH8455). IEEE Photonics Society. pp. III11–III12. doi:10.1109/LEOSST.1999.794691. Archived from the original on 10 November 2016. Retrieved 3 June 2021.
  4. ^ V. Jayaraman, J. Jiang, B. Potsaid, G. Cole, J Fujimoto, and Alex Cable “Design and performance of broadly tunable, narrow linewidth, high repetition rate 1310nm VCSELs for swept source optical coherence tomography,” SPIE volume 8276 paper 82760D, 2012
  5. ^ C. Gierl, T. Gruendl, P. Debernardi, K. Zogal, C. Grasse, H. Davani, G. Böhm, S. Jatta, F. Küppers, P. Meißner, and M. Amann, "Surface micromachined tunable 1.55 µm-VCSEL with 102 nm continuous single-mode tuning," Opt. Express 19, 17336-17343 2011
  6. ^ D. D. John, C. Burgner, B. Potsaid, M. Robertson, B. Lee, W. J. Choi, A. Cable, J. Fujimoto, and V. Jayaraman, “Wideband Electrically-Pumped 1050 nm MEMS-Tunable VCSEL for Ophthalmic Imaging,” Jnl. Lightwave Tech., vol. 33, no. 16, pp. 3461 - 3468, Feb. 2015.
  7. ^ V. Jayaraman, G. D. Cole, M. Robertson, A. Uddin, and A. Cable, “High-sweep-rate 1310 nm MEMS-VCSEL with 150 nm continuous tuning range,” Electronics Letters, vol. 48, no. 14, pp. 867–869, 2012.
  8. ^ Iga, Kenichi (2000). "Surface-emitting laser—Its birth and generation of new optoelectronics field". IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 6 (6): 1201–1215. Bibcode:2000IJSTQ...6.1201I. doi:10.1109/2944.902168.
  9. ^ Peters, F.; M. Peters; D. Young; J. Scott; B. Thibeault; S. Corzine; L. Coldren (January 1993). "High-power vertical-cavity surface-emitting lasers". Electronics Letters. 29 (2): 200–201. Bibcode:1993ElL....29..200P. doi:10.1049/el:19930134.
  10. ^ Grabherr, M.; R. Jager; M. Miller; C. Thalmaier; J. Herlein; R. Michalzik; K. Ebeling (August 1998). "Bottom-emitting VCSEL's for high-CW optical output power". IEEE Photonics Technology Letters. 10 (8): 1061–1063. Bibcode:1998IPTL...10.1061G. doi:10.1109/68.701502.
  11. ^ Francis, D.; Chen, H.-L.; Yuen, W.; Li, G.; Chang-Hasnain, C. (October 1998). "Monolithic 2D-VCSEL array with >2 W CW and >5 W pulsed output power". Electronics Letters. 34 (22): 2132–2133. Bibcode:1998ElL....34.2132F. doi:10.1049/el:19981517.
  12. ^ Miller, M.; M. Grabherr; R. Jager; K. Ebeling (March 2001). "High-power VCSEL arrays for emission in the watt regime at room temperature". IEEE Photonics Technology Letters. 13 (3): 173–175. Bibcode:2001IPTL...13..173M. doi:10.1109/68.914311.
  13. ^ D’Asaro, L. A.; J. Seurin and J.Wynn (February 2005). "High-power, high efficiency VCSELs pursue the goal". Photonics Spectra. 39 (2): 62–66.
  14. ^ Seurin, J-F.; L. A. D’Asaro; C. Ghosh (July 2007). "A New Application for VCSELs: High-Power Pump Lasers". Photonics Spectra. 41 (7).
  15. ^ Seurin, J-F.; G. Xu; V. Khalfin; A. Miglo; J. D. Wynn; P. Pradhan; C. L. Ghosh; L. A. D'Asaro (February 2009). Choquette, Kent D; Lei, Chun (eds.). "Progress in high-power high-efficiency VCSEL arrays". Proceedings SPIE, in Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers XIII. Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers XIII. 7229: 722903–1–11. Bibcode:2009SPIE.7229E..03S. doi:10.1117/12.808294.
  16. ^ Van Leeuwen, R.; Seurin, J-F.; Xu, G.; Ghosh, C. (February 2009). Clarkson, W. Andrew; Hodgson, Norman; Shori, Ramesh K (eds.). "High power pulsed intra-cavity frequency doubled vertical extended cavity blue laser arrays". Proceedings SPIE, in Solid State Lasers XVIII: Technology and Devices. Solid State Lasers XVIII: Technology and Devices. 7193: 771931D–1–9. Bibcode:2009SPIE.7193E..1DV. doi:10.1117/12.816035.
  17. ^ Eli Kapon (1998). Semiconductor Lasers II: Materials and Structures. ISBN 9780080516967.
  18. ^ Shun Lien Chuang (2009). Physics of Photonic Devices.
  19. ^ J.K. Peterson (2002). Fiber Optics Illustrated Dictionary. ISBN 9780849313493.
  20. ^ Soda, Haruhisa; et al. (1979). "GaInAsP/InP Surface Emitting Injection Lasers". Japanese Journal of Applied Physics. 18 (12): 2329–2330. Bibcode:1979JaJAP..18.2329S. doi:10.1143/JJAP.18.2329.
  21. ^ Koyama, Fumio; et al. (1988). "Room temperature cw operation of GaAs vertical cavity surface emitting laser". Trans. IEICE. E71 (11): 1089–1090.
  22. ^ Christensen, D. H.; Barnes, F. S. (February 1987). "Vertical Cavity Surface Emitting Laser in Molecular Beam Epitaxial GaAs/AlGaAs using a Multilayer Dielectric Mirror". Topical Meeting on Semiconductor Lasers, Technical Digest. Optical Society of America. 6: WA7-1. ISBN 0-936659-39-4.
  23. ^ Jewell, J.L.; Scherer, A.; McCall, S.L.; Lee, Y.H.; Walker, S.; Harbison, J.P.; Florez, L.T. (August 1989). "Low-threshold electrically pumped vertical-cavity surface-emitting microlasers". Electronics Letters. 25 (17): 1123–1124. Bibcode:1989ElL....25.1123J. doi:10.1049/el:19890754.
  24. ^ Lee, Y.H.; Jewell, J.L.; Scherer, A.; McCall, S.L.; Harbison, J.P.; Florez, L.T. (September 1989). "Room-temperature continuous-wave vertical-cavity single-quantum-well microlaser diodes" (PDF). Electronics Letters. 25 (20): 1377–1378. doi:10.1049/el:19890921.
  25. ^ a b Towe, Elias; Leheny, Robert F.; Yang, Andrew (December 2000). "A historical perspective of the development of the vertical-cavity surface-emitting laser". IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics. 6 (6): 1458–1464. Bibcode:2000IJSTQ...6.1458T. doi:10.1109/2944.902201.

External links