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你不可不知关于VCSEL的几个基本原理

发布日期:2017-10-09 作者:admin 点击:

       在介绍VCSEL技术之前,这几个基本原理与名词你不可不知,知道了这些基本知识,关于VCSEL的技术原理就非常简单了。

光的反射折射与折射率:

       我们小时候都有做过光的反射与折射实验,尤其是筷子在水里面?#33455;?#22909;像被折了一?#25105;?#26679;原因就是光的折射,折射率越大,偏折越厉害,原因是光在介质的速度变慢了,介质的折射率大小,与光在介质中的速度成反比,光在介质中的速度(v)愈大,则介质的折射率(n)愈小;光在介质中的速度(v)愈小,则介质的折射率(n)愈大。
实验证实光在介质中的速度(v)?#26469;?#20026;:v(气体)>v(液体)>v(单晶固体)>v(非晶固体)。所以光在介质的折射率(n)?#26469;?#20026;:n(气体)<n(液体)<n(单晶固体)<n(非晶固体)。

DBR(Distributed Bragg Reflector)分布布拉格反光镜

沿着光前进的方向上设计出特别的不同折射率材料交替的膜层,膜层厚度是该材料四分之一发光波长厚度(λ/4n, λ是纯光波长,n是该材料的折射率),形成折射率大(n大)、折射率小(n小)、折射率大(n大)、折射率小(n小)…的周期?#36234;?#26500;,如图二(a)所示,称为「DBR光栅(Grating)」。光波在光栅中前进的时候,遇到折射率大的介质时,光的速度变慢;遇到折射率小的介质时,光的速度变快,光波在不同折射率之间的接口都会发生反射与折射,科学家经过复杂的光学计算发现,DBR光栅可以使「不纯的入射光(波长?#27573;?#36739;大)」变成「较纯的反射光或穿透光(波长?#27573;?#36739;小)」,如图一(b)所示,换句话说,DBR光栅的主要功能就是「使光变纯(波长?#27573;?#21464;小)与控制光的反射与穿透比率」,激光二极管(LD)的光很纯,发光二极管(LED)的光不纯,显然激光二极管内一定有DBR光栅的结构,?#27604;籐ED为了增加亮度,也有在?#24515;?#25243;光蓝宝石背面之后镀上DBR反射层,可以增加2~3%的亮度。 
                                                                       图一 分布布拉格反射镜DRR原理示意图
>>激光的谐振效应(Resonance):

       激光的发光区就是它的?#24863;?#25391;腔(Cavity)」,谐振腔其实可以使用一对镜子组成,如图二所示,使光束在左右两片镜子之间来回反射,不停地通过发光区吸收光能,最后产生谐振效应,使光的能量放大,一般激光二极管的两片镜子就是用DBR镀膜来控制谐振腔的谐振效应。

>>激光二极管的电激发光(EL:Electroluminescence):

       我们以「砷化镓激光二极管(GaAs laser diode)」为例,先在砷化镓激光二极管芯片(大约只有一粒砂子的大小)上下各蒸镀一层金属电极,对着芯片施加电压,当芯片吸收电能产生「能量激发(Pumping)」,则会发出某一种波长(颜色)的光。发射出来的光经由左右两个反射?#36947;?#22238;反射产生?#24863;?#25391;放大(Resonance)」,由于右方的反射镜设计可以穿透一部分的光,所以高能量的激光光束就会由右方穿透射出,如图二所示。

                                                                  图三 激光二级管发射激光的原理示意图

VCSEL制程到底难吗?

除了上面的基本知识,这些与LED技术相似的制程术语你也必须知道,我在此不再多解?#20572;?#20182;们是MOCVD(有机气相外延沉积)与MBE(分子束外延)外延技术,光刻技术决定芯片图形与尺寸,ICP-RIE(电感耦合反应离子刻蚀)技术刻蚀出发光平台(Mesa),氧化制程让谐振?#27426;?#20041;出最佳的VCSEL光电特性,钝化绝缘制程让暴露的半导体材料不受空气与水汽影响可靠度,最后?#24515;?#19982;切割变成一颗颗芯片,再进行测试与出货给封装厂,由于结构?#32454;?#32418;黄LED芯片类似,是上下电极垂直结构,所以一般是先测试芯片特性再进行切割与最后分选。图三就是VCSEL的芯片与封装示意图,做LED的人有没有似曾相识的?#33455;?#21602;?
目前主流的VCSEL是To-can封装与阵列封装,尤其在高功率传感系?#24120;?#36710;用市场)里面需要用到倒装flip chip的阵列封装。

 
                                                                                      图三 VCSEL的芯片与封装示意图

    

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