大功率垂直腔面发射激光器用于激光显示.docx
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大功率垂直腔面发射激光器用于激光显示
大功率垂直腔面发射激光器用于激光显示
2009-12-03|【大中小】
eVCSEL光源展现更丰富的色彩
电泵浦的垂直腔表面发射激光器可以产生明亮、纯净的红、绿、蓝光，能用于背投电视。
激光光源在背投电视领域的应用，吸引了众多厂商去研究：
如何使家庭影视实现真彩色以及达到剧院效果。
借助数字光处理（DLP）芯片或采用改进的液晶面板，目前用微显示技术可制造出尺寸达70英寸（对角线尺寸）的高质量显示屏。
这些屏幕由传统的超高压汞灯照明，这种汞灯在亮度、色彩重现及使用寿命方面还有些不足。
激光器可以代替汞灯与DLP或其他调制器一起使用，激光器作为光源具有几项优势。
最大线宽只有几个纳米的激光使色彩数量比现有的色彩标准增加了30％到40％。
过去所需的彩色滤光片现在也可略去，这提高了光调制系统的工作效率；相关的紫外和红外发射器也可免去，工作寿命也显著延长（超过10000小时），同时，较好的方向性和较小的发散角也有利于光耦合。
激光虽具有上述优点，但它作为背投电视光源却未能商业化，这主要是由于它成本过高及红光、绿光、蓝光激光器在封装上的难度较大。
而PrincipiaLightworks研制成功了一种电子泵浦的垂直腔表面发射激光器（VCSEL）（见图1），
图1.eVCSEL光源由电子束泵浦；电子束的扫描方式类似于阴极射线管（上图）
eVCSEL产生高质量的红光、绿光、蓝光（下图）
他们称它为eVCSEL，其价格较低，有望应用到背投电视上。
这种激光器可以安装在很薄的背投电视里。
eVCSEL腔内含有增益层，它由块状单晶半导体或多量子阱结构组成，后者通过标准的外延沉积技术制备，如金属－有机物化学气相沉积技术。
增益层位于一个高反射率镜子和一个输出耦合器的夹层内，其厚度为5到10μm，面积约为2cm2。
eVCSEL产生红色激光的量子阱增益层材料为InGaP/AlGaInP；产生绿光的材料为ZnCdSe/ZnSSe；产生蓝光的为ZnSSe/ZnMgSSe。
半导体由体结构的单晶晶圆制造，分别用CdSSe、CdS和ZnSSe等来制备相应的红光、绿光和蓝光材料。
由于eVCSEL的发散角约为30度，并且是通过电子束来扫描激光介质的，因而空间相干及相应的光斑现象实际上就从源头上消除了。
载流子由阴极射线管发出的扫描电子束注入。
为了减少反射及增加腔体受激体积，电子束由永久磁场作了90度偏转。
扫描斑点的直径为10到60μm，加速电压为35kV，电子束电流为2mA。
有一些因素对于电子束的直径大小很重要，比如，为了让eVCSEL的性能达到最优，让激光出射方向垂直于发射层尤为重要，这要求电子束的直径小于60μm。
但是当电子束直径小于10μm时，衍射损耗将占据主导地位，这导致了激光阈值的上升。
Principia制备的eVCSEL中，电子束直径为25μm，使用了预聚焦电极进行聚焦，电子束的直径很稳定，电流为2mA。
红绿蓝eVCSEL可放置在单个阴极射线管内，由同一电子束依次扫描，或者放置在三个电子束的系统内，同时接受扫描。
VCSEL发展起源
1977年，日本东京工业大学以KENICHII为首的研究小组首次提出垂直腔面发射激光器（Vertical-CavitySurface-EmittingLasers，VCSELs）的概念，并于1979年实现InGaAs/InPVCSELs在低温下脉冲激射，1984年，实现了VCSELs的室温连续脉冲工作。
1991年，California大学GEELRS等人实现980nm、InGaAs/GaAsVCSELs室温连续激射。
1996年，Honeywell推出了世界上第一支商品化850nmVCSELs器件，随后Emcore、Picolight等公司也相继开始提供VCSELs产品。
1997年，以Kuznetsov为首的研究小组第一次实现了以半导体激光器泵浦InGaAs/GaAs垂直外腔面发射激光器（Vertical-External-CavitySurface-EmittingLasers，VECSELs）产生980nm激光输出。
目前相干公司已推出了商品化6.25W，532nmVECSELs器件。
VCSELs器件结构
典型的VCSELs器件如图2所示。
中间是有源区，一般由量子阱组成；有源区的两侧是限制层，夹在两个高反镜（分布式布拉格反射镜,DBR）之间；DBR由厚度为λ/4的两种折射率差异较大的材料交替生长而成，DBR的反射率一般在99.5%～99.9%之间；在衬底和P型DBR的外表面需要制作金属接触层，形成欧姆接触，并在衬底上制成一个圆形出光窗口，输出圆形的激光束。
通常P型DBR与有源区之间有一个AlAs层，这一层经选择氧化后变成低折射率的牢固的隔离氧化物Al2O3，形成氧化限制层，这样就可以减少横向电流扩展效应，达到对有源区电流的限制。
图2.底发射氧化物限制型VCSELs结构示意图
VCSELs与边发射激光器（Edge-EmittingLasers，EELs）相比的优点
（1）光束质量：
VCSELs的出射光是圆形光束。
通过适当优化设计的VCSELs还可以发出一个单横模光束（圆形高斯光束）。
这个简单的光束结构，大大降低了耦合/光束整形系统复杂性和成本（与EELs相比），同时增加与光纤的耦合效率或泵浦效率。
（2）波长稳定性：
VCSELs的激射波长是很稳定，因为它由较短Fabry-Perot腔确定。
与EELs相反，VCSELs只能在一个单纵模下工作。
VCSELs发射波长的温度漂移系数很小（<0.07nm/℃），只有EELs的1/5，当温度改变20℃时，VCSELs激射波长随温度漂移小于1.4nm（EELs为7nm）。
其原因是VCSELs的激射波长是由单纵模谐振腔的光学厚度决定的，而温度对光学厚度的影响很小（折射率和谐振腔的物理厚度对温度只有很弱的依赖关系）。
EELs激射波长由峰值增益波长决定，而峰值增益波长对温度有较强的依赖关系。
因而，与EELs列阵（bar条或叠阵）相比，大功率VCSELs列阵的谱宽要窄得多。
（3）可靠性：
因为VCSELs不受光学灾变损伤（COD）的影响,其可靠性远高于EELs。
VCSELs典型的FIT值（十亿器件小时失效数）小于10，通信级EELs的FIT值大约为500。
工业级高功率的EELs列阵（bar条或叠阵）的FIT值更高。
（4）制造工艺及产量：
VCSELs简单的制造工艺一直是这项技术的巨大优势。
由于复杂的工艺和涉及到的COD可靠性的问题，EELs的产量较低（980nm泵浦用EELs芯片制造商通常从6.66cm（2寸）圆晶中只得到大约500管芯）。
而VCSELs的产量超过90%（相当于从2寸圆晶得到大约5000大功率管芯）。
事实上，因为它的二维特性，VCSELs的制造与标准硅集成电路加工完全相同的。
大功率VCSELs的一个关键优势是，他们可以直接加工成单片二维阵列，而这对EELs来说是不可能的（只可能实现一维列阵）。
（5）封装及散热问题：
封装大功率VCSELs二维列阵很简单（类似微型处理器封装），热量只需穿越只有几微米的P型DBR，热输运过程效率很高。
冷却系统变得十分简便。
现有的硅集成电路的散热技术可以用于大功率VCSELs二维列阵的散热上。
这将明显降低模块的成本。
大功率VCSELs进展
目前，世界上只有少数几家科研单位、公司开展了大功率VCSELs的研究，主要有德国的ULM大学、美国的普林斯顿光电子公司以及中国的中国科学院长春光机所等单位。
2001年德国ULM大学实现了980nm、直径320μm的VCSELs单管室温连续工作，最大输出功率为0.89W；19个单管组成的二维面阵室温连续工作最大输出功率为1.55W。
这与EELs相比存在较大的差距，这是因为VCSELs受到器件串联电阻、热阻等因素的影响，效率较低。
为了提高VCSELs的效率，在美国国防先进技术研究计划署（DARPA）超高效率激光二极管光源（SHEDS）项目的支持下，美国普林斯顿光电子公司在提高VCSELs效率与功率方面开展了深入的研究，通过优化P型DBR材料的组分、层数以及掺杂浓度，在保持低掺杂浓度以减小自由载流子吸收的同时，降低P型DBR的串联电阻，有效地提高了效率。
该公司于2005年研制出器件直径为350μm，室温下连续功率达到3W，效率为25%的VCSELs，其谱宽仅为0.6nm，出射的激光为圆形光束。
2007年，普林斯顿光电子公司又通过将大尺寸（5mm×5mm）二维VCSELs列阵封装在高热导率金刚石热沉上，使VCSELs列阵达到非常高的功率水平。
面积为0.22cm2的二维列阵连续输出功率超过230W，功率密度大于1kW/cm2，列阵的谱宽（FWHM）为0.7～0.8nm，效率达到50%，斜效率为0.95W/A，微分串联电阻为5.8mΩ，热阻约为0.16℃/W，温度漂移系数小于0.07nm/℃。
与EELs不同，VCSELs出射的光圆形对称，发散角小，不需要复杂的光束整形系统，可以理想地用于泵浦固体激光器或直接应用。
除了研制连续工作的VCSELs列阵，普林斯顿光电子公司还开发了极高功率密度的VCSELs列阵用于准连续（QCW）工作。
从很小的列阵（面积为0.028cm2）就得到超过100W的准连续输出功率，功率密度达到3.5kW/cm2。
这些列阵可轻易串联形成较大的列阵以获得高输出功率，目前，最大准连续（QCW）输出功率超过1000W。
该公司还开发了由小直径单模器件组成的单横模VCSELs阵列。
这些阵列是由数以千计的小直径、低功率单模器件组成。
这个列阵的输出就可以通过微型透镜阵列或聚焦透镜系统集中到一个很小、低发散的光斑，可将功率约为100W的光耦合进直径为400μm的光纤，使列阵成为直接应用的理想光源。
在国内，中国科学院长春光机所较早的开展了大功率VCSELs的研究，对大功率980nmVCSELs进行了理论研究，结构优化设计，攻克了一系列关键工艺技术，取得了突破性进展。
2004年初，在国际上首次研制出直径为500、600、700μm的大功率VCSEL器件，连续功率输出均达到1.95W；300μm直径连续输出功率1.11W，连续输出光功率密度1.57kW/cm2；研制出高功率密度的脉冲VCSEL器件，直径200μm，脉宽10ns，100Hz条件下峰值光功率10.5W，脉冲输出光功率密度33.4kW/cm2。
上述五项指标为当时国际报道的最好结果。
经过高温加速老化实验，连续输出大功率VCSELs器件寿命超过4500h。
垂直外腔面发射激光器（VECSELs）
电泵VECSELs
电泵VECSELs具有与VCSELs类似的器件结构，不同的是电泵VECSELs其中一个DBR反射镜层数较少，反射率较低，需要外加一个外腔镜形成谐振腔。
美国的Novalux公司通过抑制DBR反射镜中的Shottky势垒、限制有效载流子、优化材料增益等手段，使器件的串联电阻减少，阈值降低。
2004年该公司实现了发射波长980nm、直径150μm器件，单模输出功率0.5W，多模输出功率1.2W，效率分别为20%，30%，脉冲工作时的器件的斜效率为1.1W/A。
2005年，实现5mm×5mm列阵（15×15单元）的80W输出。
在此基础上，该公司又通过改变有源区材料的组分以及在芯片与外腔镜之间增加非线性晶体等方法，研制出红、绿、蓝三基色激光器，器件输出功率分别达到1.2W，7W，4W。
光泵VECSELs
光泵VECSELs具有与电泵VCSELs类似的器件结构，不同的是光泵VECSELs只有一个DBR反射镜，用一个外腔镜代替谐振腔的另一个DBR反射镜。
同时光泵VECSELs使用的是无掺杂的半导体材料，不形成p-n结，不需要欧姆接触，减少自由载流子造成的损耗。
1997年，Kuznetsov的小组第一次实现了以半导体激光器泵浦产生980nmVECSELs。
该激光器在TEM11模式的最大输出功率为0.69W；与单模光纤耦合，在TEM00模式下输出功率为0.37W。
2006年，LEEJH等人利用半导体激光器端面泵浦VECSELs，研制出波长为1078nm，输出功率达到9.1W，光光转换效率达到45%的红外激光。
同年，三星先进技术研究院的研究小组报道了利用半导体激光器端面泵浦InGaAs/GaAsP应变周期性量子阱VECSELs，得到1070nm激光，经过BBO倍频产生535nm，输出功率超过7W的线偏振绿光输出，光光转换效率达到27%
图4.Schematicillustrationofgreenend-pumpedVECSEL
withafoldedcavitybyintracavitySHG.
此外，他们还得到了4.9W、920nm激光，经过LBO倍频产生460nm，输出功率超过2W的蓝光输出，光光转换效率达到10%
2004年，美国相干公司的研究人员使用3台30W的半导体激光光纤耦合模块作为光源，光斑直径在500～900μm之间，并且利用CVD金刚石作为器件热沉，在冷却温度为6.5℃时，得到输出功率达到30W的波长为980nm，InGaAs/GaAsVECSEL
图5.Schematicrepresentationofanopticallypumpedsemiconductorlaser
图6.TheOPSchip（opticallypumpedsemiconductor）
Thedifferentlayersandtheirfunctionsareindicated
2007年，他们又将输出功率进一步提高到40W。
将三个VECSELs芯片集成到一个折叠腔中，在300W光纤耦合模块的泵浦下，通过LBO倍频产生532nm绿光。
多模输出功率达到66W，在TEM00模式下输出功率达到55W，M2只有1.2。
这是目前VECSELs所能达到的最高功率纪录。
图7.Cavityconfigurationforsecondharmonicgeneration
光泵VECSELs的优点
人们发现,早期的电泵泵浦式的VCSEL由于是串联电阻,不可避免地引发了热堆积,使进一步提高功率成为难题。
1997年M.Kuzetsov等人首次提出了光泵垂直扩展腔面发射半导体激光器（OPS-VECSEL）的想法。
OPS-VECSEL结合了二极管泵浦全固态激光器和电泵VCSEL两者的优点,第一次实现了直接从半导体激光器中得到高功率、衍射角小的圆对称光束,是半导体激光器的革命性进展。
与传统固态激光器相比,它可以通过调节增益区材料组分、量子阱宽度等来设计激射波长,并可得到小衍射角、圆对称的高质量光束,与电泵VCSEL相比,省去了复杂的掺杂工艺,并降低了热效应,实现了大功率输出。
而且,由于其光束质量好,在腔内插入非线性晶体、饱和吸收体SESAM等后,可进行直接倍频、锁模、波长调谐等,从而扩展了输出波长的范围,也可得到超短脉冲输出。
光泵VECSELs基本原理
图8是典型的OPS-VECSEL结构示意图。
泵浦光经透镜聚焦后以一定角度入射到增益芯片上,达到阈值后产生激光输出。
图8.OPS-VECSEL结构示意
光泵VESCEL芯片由量子阱有源区和布拉格反射器（DBR）及输出窗口组成,其结构如图9所示。
图9.光泵VECSEL芯片结构示意图
量子阱有源区是OPS-VECSEL产生增益的核心部分,可以通过设计量子阱材料、势垒材料及阱宽等得到需要的激射波长。
当泵浦光照射到芯片上时,在有源区被吸收,载流子注入到量子阱内并被限制于其中,达到阈值浓度时产生激射。
通常选择势垒层的厚度（约为半波长）使量子阱层正好位于驻波峰处,形成周期增益结构,从而使增益达到最大。
由于增益区的厚度较薄,量子阱的单程增益很小,需要DBR在激光波长为中心的一定范围内有很高的反射率（>99%）,相当于一个腔反射镜。
有的设计为提高泵浦光的吸收率,还要求DBR的反射率在泵浦光波长附近也较高。
最典型的DBR由1/4波长厚的高反射率与低反射率材料交替组成。
一般短波长采用AlGaAs/GaAs,长波长采用InGaAsP/InP或AlAsSb/GaSb。
DBR的选择要依照增益量子阱材料而定,它们对激光的吸收很小而且要与衬底材料晶格匹配。
有些设计中,在量子阱有源区的上部也有DBR层,使芯片本身形成谐振腔。
一般地,还会在芯片表面覆盖防氧化层以保护材料表面。
芯片生长完成后将衬底剥离,粘接固定到散热装置上。
泵浦光以一定角度入射到芯片上,就可以产生垂直于芯片表面的圆对称激光输出。
合理设计量子阱芯片,优化腔结构,可以得到高功率、良好光束质量的激光输出。
光泵VECSELs在红、绿、蓝激光领域的研究现状
紫外以及蓝光波段
随着新兴的GaN系列材料的进一步研究,直接得到良好光束质量的紫外以及蓝光OPS-VECSEL已经在研究中。
GaN系列VCSEL的主要难点是对短波长高反射率DBR的生长、合适的泵浦源以及腔结构的设计,目前,从事GaN-VCSEL研究的有日本东京大学的Someya小组：
图10.Schematicdiagramofthefrequency-doubledVECSELcavity
BRFisabirefringentfilter,BBOisthebeta-bariumboratecrystal
andmirrorsM1,M2,andM3werecoatedforhighreflectivityat674nm
andhadradiusofcurvatureof−100mm
M2andM3hadhightransmissionat337nm.
美国Y.K.Song小组：
图11.Basicsetupforanoptically-pumpedsemiconductordisklaser
以及韩国SiHyunPark小组。
由于HfO2的折射率很高,可以采用SiO2/HfO2做成蓝光高反的DBR。
2006年,SiHyunPark小组将蓝宝石的一面做成微透镜,形成微腔,并采用脉宽5ns,重复频率20Hz的355nm泵浦光。
红光波段
芬兰和英国的研究人员对这一波段进行了研究[5],并得到目前功率最高的红光OPS-VECSEL。
2005年，得到接近理想光束（M2=1.05）、最高功率390mW的674nm激光输出,并可以实现10nm范围调谐。
2006年，采用相似的技术将OPS-VECSEL做成3×1列阵。
532nm的泵浦光首先通过衍射光学元件被分成三束再入射到芯片上,激射出三束675nm红光。
用空间光调制器件代替衍射光学元件,泵浦光从线阵发展成面阵,可以通过计算机控制空间光调制器件对泵浦光进行调制,从而控制OPS-VECSEL输出阵列。
这种技术可以应用于原子光学、芯片生物系统等领域,实现对单个光束的精密控制以及光镊等。
同年8月,他们又成功地得到1.1W的675nm激光输出（532nm泵浦功率7W）,为目前报道的最高功率连续输出的红光OPS-VECSEL。
近红外波段
由于VECSEL产生的光束质量好,可以直接用于倍频,在外腔或延长腔中插入非线性晶体后,通过倍频或其他非线性光学过程可以产生短波段激光输出。
同时,光泵浦VECSEL和电泵VECSEL相比,功率的提高不再受电流分布和电阻热效应的影响,合理设计系统,提高斜率效率,并且采用研究比较成熟的高功率泵浦光源,就可以得到较高的基频光功率及倍频光输出。
980nm左右的OPS-VECSEL研究较多,这个波段的基频光由于倍频后可以得到490nm左右的蓝光,是得到高功率良好光束质量蓝光的一种有效方法,因此受到了广泛的关注。
2003年,德国的Brick和Lutgen等人得到了8W的1000nm输出。
他们通过使用外延生长晶体和有源区散热方法提高了OPS-VECSEL性能,并且详细分析了泵浦光斑大小对其输出特性的影响。
2004年,美国相干公司Chilla等人研制的OPS-VECSEL阵列,800nm左右二极管阵列泵浦功率70W时分别得到了30W，980nm和19W，920nm的连续输出。
美国的LiFan等人对980nmOPS-VECSEL也进行了系统的研究,通过倍频产生高功率的蓝光,同时有一定的波长调节范围。
2006年1月,韩国三星的Kim等实现了很高的室温光光转换效率（44%）,并得到10W的1060nm激光输出。
他们描述、分析了芯片质量（包括生长温度、失配度、量子阱数）对激光器性能的影响。
图12.SchematicrepresentationoftheVECSELcavity
RoC:
radiusofcurvature;OC:
outputcoupler
光泵VECSELs的倍频技术
由于OPS-VECSEL光束质量好,可以在光路中插入BBO、LBO、BIBO、PPKTP等非线性晶体,进行直接倍频,从而得到更短波长的激光输出,进一步扩展波长范围。
特别是在1μm附近,倍频高功率基频光,是得到高功率且良好光束质量的蓝绿光的一种良好途径。
由相干公司制作的目前最大功率输出的光泵VCSEL,利用LBO晶体I类相位匹配倍频后,分别得到15W，488nm和5W，460nm的连续输出,也是目前报道的蓝光最高输出功率。
2005年,德国Lutgen小组在先前工作的基础上,在腔内插入4mm长BIBO晶体,1040nm基频光倍频后得到520nm绿光,808nm泵浦光功率为7W时得到最大输出0.7W的520nm激光。
美国LiFan等人还实现了980nmOPS-VECSEL的直接倍频及可调谐。
2006年,他们利用40W的808nm二极管激光器泵浦980nm基频光,再通过LBO晶体倍频得到大于1.3W的490nm激光,倍频效率为1.3%,并且实现了最大20nm的波长调谐范围。
芯片的有源区是14个InGaAs量子阱,势垒层为GaAsP,DBR是25对Al0.2Ga0.8As/AlAs,其反射率R>99.5%,芯片表面镀增透膜。
实验光路采用Z型腔,折叠角度尽量小,以减小输出镜在切向和纵向不同焦距对基频和倍频光产生的不对称。
二极管激光器产生的多模808nm泵浦光从光纤输出后经过透镜聚焦照射到芯片上。
光路中,以布儒斯特角插入了一块双折射滤波片（BF）,它可以选择控制基频光的偏振方向,同时选择基模波长,使其带宽变窄,有利于提高倍频效率。
在此基础上,他们还将两束光通过体布拉格光栅衍射作用合成到一起,效率达到90%,这样可以获得更大功率的输出,且光束质量不会受到很大影响。
韩国三星的Kim等研究人员也得到了瓦级输出功率的蓝光。
2006年3月,泵浦功率20W时,他们得到4.9W的920nm连续输出,插入LBO晶体后得到2W的460nm蓝光连续输出。
VCSEL用于激光显示
2005年,美国相干公司研制的可商用化的RGB激光器,其中蓝光
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