半导体激光器EEL & VCSEL应用领域

发表时间:2024-11-14 09:20
激光器的定义与分类


激光器是一种能够产生高度单色、相干、方向性强的光束的设备。其核心原理是基于电激励源,通过半导体材料的增益介质实现电能到光能的转换。半导体激光芯片,作为激光器产业链上游的关键组件,其性能直接决定了激光设备输出光束的质量和功率。


从产业链角度来看,激光器的上游包括半导体原材料、高端装备及生产辅料,这些原材料和装备用于制造半导体芯片、光电器件、光学元件及模组等。


中游环节则涵盖了利用上游产品制造的各类激光器,包括直接半导体激光器、二氧化碳激光器、固体激光器和光纤激光器等。这些激光器根据其工作原理和应用领域被进一步分类。


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下游应用领域广泛,包括但不限于工业加工、医疗、光通信、科研实验等。


在半导体激光器众多类型中,垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)以其独特的结构和应用优势脱颖而出。


尽管在70年代就有了VCSEL的概念,但当时主要停留在学术研究阶段,尚未实现产业化。到了90年代,VCSEL在短波长领域的研究取得了突破,特别是在数据通信领域,初创公司开始推动其产业化发展,尤其是在短距离光纤通信系统中得到了应用。


然而,2000年至2017年期间,VCSEL技术进展相对缓慢,产业应用也没有显著扩展,投资热点逐渐转向其他领域,学校的研发重点也有所转移。直到近几年,随着苹果公司在iPhone中的应用,VCSEL在消费电子领域看到了新的机会,并且带动了技术的进一步进步。


如今,VCSEL因其阈值电流低、工作波长稳定、光束质量好等特性,在光通信、激光显示、光存储、消费电子等领域得到了广泛应用。尤其是在传感领域,940nm波长的VCSEL发挥了重要作用。而随着ChatGPT等大规模人工智能应用的兴起,数据通信领域对VCSEL的需求大幅增长,特别是在短距离通信方面。


此外,1310nm波长的VCSEL在高速长距离光纤通信、光识别系统及并行光互连系统中也占据重要地位,而808nm波长的VCSEL在医美行业的应用开始受到重视。


VCSEL的原材料主要包括砷化镓、磷化铟或氮化镓等发光化合物半导体,其发光原理与其他半导体激光器相似,通过外加能量激发电子跃迁,并通过谐振腔实现共振放大,形成激光。


边缘发射激光器(Edge Emitting Laser,EEL)由于其发光方向与芯片表面平行,拥有较高的输出功率,且适合用于长距离光纤通信、工业加工等对功率要求较高的场景。但EEL结构复杂,制造过程较为精细,成本相对较高,同时其激光光束的质量不如VCSEL稳定。


相比之下,VCSEL具有独特的垂直腔面发射结构,能够实现低阈值电流和高光束质量,在短距离光通信、消费电子以及3D传感等应用领域中表现尤为突出。


此外,VCSEL的制造工艺相对简单,VCSEL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势,广泛应用于光通信、光互连、光存储等领域。可以通过标准的半导体工艺进行大规模生产,成本低且效率高。同时,VCSEL还能实现多模发射,适用于高数据传输速率的应用。


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VCSEL激光器

VCSEL是一种垂直于衬底面射出激光的半导体激光器。基本结构是一个“三明治”结构,由上下两个 DBR 反射镜和有源区这三部分组成。上下两个 DBR 反射镜与有源区构成谐振腔。


有源区由几个量子阱组成,作为 VCSEL 的核心部分,决定着器件的阈值增益、激射波长等重要参数。高反射率的 DBR 由多层介质薄膜组组成,实现对光的反馈。为得到较小的阈值电流,DBR 反射镜的反射率一般在 99.5%以上。


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VCSEL的主要制造被分成两个主要的部分,一部分是实现“三明治”结构的MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)金属有机物化学气相沉积技术,即外延生长过程;一部分是实现后端各种结构和需求的晶圆工艺,包括形成图形化掩膜、光刻,电极蒸发沉积及剥离,湿法台面蚀刻,侧向湿法氧化,BCB填充等。


VCSEL的应用领域根据其发射波长的不同而多样化。在400nm的紫外波段,应用于增强现实(AR)、虚拟现实(VR)、抬头显示(HUD)以及汽车激光照明


商业常见的可见光VCSEL波长通常在可见光范围内,波长范围通常在400nm~700nm之间,它们在技术上更为成熟,应用也更为广泛,通常用于数据通信、传感和照明等领域,例如智能手机中的面部识别和光通信模块


对于大于700nm但小于780nm的近红外波段,VCSEL的应用较为有限,主要包括塑料光纤通信(POF)、激光打印、脉搏血氧仪和工业传感器


780至1400nm的近红外波段是VCSEL应用最为丰富的区域,涵盖了光通信、计算机鼠标、3D成像、工业加热、激光雷达(LiDAR)、脉搏血氧仪和原子钟等众多领域。


1400至3000nm的短波红外(SWIR)波段虽然应用较少,但在环境传感(TDLS)和光通信领域发挥着作用,同时在硅光子学和3D成像方面展现出潜在的应用前景。


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