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面射型雷射初期研发进展
来源: | 作者:LiLi | 发布时间: 2024-12-06 | 65 次浏览 | 分享到:

早期面射型雷射由于半导体磊晶技术简在发展初期阶段,因此还无法直接成长反射率符合雷射操作需求的全磊晶导体分布布拉格反射器,以Iga 教授团队所发表的最早电激发光 VCSEL 元件为例,所采用的共振腔反射镜面由金和二氧化矽材料所组成[21],由于该结构反射率和电流局限能力较差,因此达到雷射增益所需的电流值较高,阈值电流大小为 510mA。稍后该团队采用圆形埋入式异质接面结构(circular buried heterostructure,CBH),并采用TiO2/SiO2做为其中一侧的反射镜,由于埋入式结构可以改善载子注入和局限能力同时也提供光子局限的折射率波导效果,而且 TiO2/SiO2折射率差异△n超过1,因此只要镀上少数几个周期就可以获得相当高的反射率,综合上述的结构与制程改善,所制作的VCSEL 共振腔长度为7μm,在室温下脉冲操作间值电流大小降低至6mA,如果在液态氮冷却至77K 环境下甚至可以进一步降低到4.5mA 且连续波操作。[22]

两年后Iga 教授团队改采用 MOCVD磊晶成长技术,首次成功达成室温下连续波操作的纪录,该元件发光层厚度为2.5μm,整体共振腔长度为5.5μm,上方的分布布拉格反射器同样采用5对的 TiO2/SiO2做为反射镜,下方则采用Au/SiO2/TiO2/SiO2,并借由MOCVD二次成长埋入式结构来做为注入载子局限方法,所制作的元件在室温下操作阈值电流值约为28~40mA,最大输出功率可达12mW。由于共振腔长度缩短,因此该元件可以发出单一纵模波长为894nm,旁模抑制比(side mode suppression ratio, SMSR)可以达到35dB,同时观察其近场与远场发光图案可以发现元件也操作在单一横模,光束为圆形对称直径约 4μm,半高宽(full width at half maximum, FWHM)发散角为13°。[23

由于采用介电质材料或金属制作面射型雷射反射镜制程相对复杂,特别是在制作电激发光面射型雷射时,因为一般介电质材料能隙宽度大通常是绝缘体,因此需要采用特殊结构设计来导通电流,如果能在面射型雷射磊晶同时就直接成长半导体DBR,除了厚度可以更精确控制以外,也有机会可以借由掺杂方式成长可以导电的DBR,简化电激发光面射型雷射的制程步骤,在1988 年时 AT&T Bel Lab 卓以和士所带领的研究团队就利用MBE系统成长全磊晶结构 VCSBL 元件,其结构主要包含22或23 对的 AlAS/