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Diagrama de una estructura VCSEL simple.

El -de cavidad vertical láser superficie de salida , o VCSEL / v ɪ k s əl / , es un tipo de semiconductor diodo láser con láser perpendicular emisión del haz desde la superficie superior, al contrario de los láseres semiconductores de borde emisores convencionales (también en el plano láseres) que se emiten desde superficies formadas al escindir el chip individual de una oblea . Los VCSEL se utilizan en varios productos láser, incluidos ratones de computadora , comunicaciones de fibra óptica , impresoras láser , Face ID , [1]y lentes inteligentes . [2]

Ventajas de producción [ editar ]

Hay varias ventajas en la producción de VCSEL, en contraste con el proceso de producción de láseres emisores de bordes. Los emisores de borde no se pueden probar hasta el final del proceso de producción. Si el emisor de borde no funciona correctamente, ya sea debido a malos contactos o mala calidad de crecimiento del material, el tiempo de producción y los materiales de procesamiento se han desperdiciado. Sin embargo, los VCSEL se pueden probar en varias etapas a lo largo del proceso para verificar la calidad del material y los problemas de procesamiento. Por ejemplo, si las vías , las conexiones eléctricas entre las capas de un circuito, no se han eliminado por completo de dieléctricomaterial durante el grabado, un proceso de prueba intermedio indicará que la capa superior de metal no está haciendo contacto con la capa de metal inicial. Además, debido a que los VCSEL emiten el rayo perpendicular a la región activa del láser en lugar de paralelo como con un emisor de borde, decenas de miles de VCSEL se pueden procesar simultáneamente en una oblea de arseniuro de galio de tres pulgadas . Además, aunque el proceso de producción de VCSEL es más intensivo en mano de obra y material, el rendimiento se puede controlar para obtener un resultado más predecible.

Estructura [ editar ]

Una estructura de dispositivo VCSEL realista. Este es un VCSEL de pozos cuánticos múltiples de emisión inferior.

El resonador láser consta de dos espejos reflectores de Bragg distribuidos (DBR) paralelos a la superficie de la oblea con una región activa que consta de uno o más pozos cuánticos para la generación de luz láser en el medio. Los espejos planos DBR constan de capas con índices de refracción altos y bajos alternados. Cada capa tiene un grosor de un cuarto de la longitud de onda del láser en el material, lo que produce reflectividades de intensidad superiores al 99%. Se requieren espejos de alta reflectividad en los VCSEL para equilibrar la longitud axial corta de la región de ganancia.

En VCSEL comunes a los espejos superior e inferior están dopados como de tipo p y tipo n materiales, formando un diodo de unión. En estructuras más complejas, las regiones de tipo py de tipo n pueden estar incrustadas entre los espejos, lo que requiere un proceso semiconductor más complejo para hacer contacto eléctrico con la región activa, pero eliminando la pérdida de energía eléctrica en la estructura DBR.

En la investigación de laboratorio de VCSEL utilizando nuevos sistemas de materiales, la región activa puede ser bombeada por una fuente de luz externa con una longitud de onda más corta , generalmente otro láser. Esto permite demostrar un VCSEL sin el problema adicional de lograr un buen rendimiento eléctrico; sin embargo, estos dispositivos no son prácticos para la mayoría de las aplicaciones.

Los VCSEL para longitudes de onda de 650 nm a 1300 nm se basan típicamente en obleas de arseniuro de galio (GaAs) con DBR formados a partir de GaAs y arseniuro de galio y aluminio (Al x Ga (1- x ) As). El sistema GaAs-AlGaAs se ve favorecido para construir VCSEL porque la constante de celosía del material no varía mucho a medida que cambia la composición, lo que permite que crezcan múltiples capas epitaxiales "con celosía" en un sustrato de GaAs. Sin embargo, el índice de refracciónde AlGaAs varía relativamente fuertemente a medida que aumenta la fracción de Al, minimizando el número de capas requeridas para formar un espejo de Bragg eficiente en comparación con otros sistemas de materiales candidatos. Además, a altas concentraciones de aluminio, se puede formar un óxido a partir de AlGaAs, y este óxido se puede utilizar para restringir la corriente en un VCSEL, lo que permite corrientes de umbral muy bajas.

Los principales métodos para restringir la corriente en un VCSEL se caracterizan por dos tipos: VCSEL implantados con iones y VCSEL de óxido.

A principios de la década de 1990, las empresas de telecomunicaciones tendían a favorecer los VCSEL implantados con iones. Los iones, (a menudo iones de hidrógeno, H +), se implantaron en la estructura VCSEL en todas partes excepto en la apertura del VCSEL, destruyendo la estructura reticular alrededor de la apertura, inhibiendo así la corriente. A mediados y finales de la década de 1990, las empresas avanzaron hacia la tecnología de VCSEL de óxido. La corriente está confinada en un VCSEL de óxido oxidando el material alrededor de la apertura del VCSEL. Una capa de aluminio de alto contenido que crece dentro de la estructura VCSEL es la capa que se oxida. Los VCSEL de óxido también suelen emplear el paso de producción de implantes de iones. Como resultado, en el VCSEL de óxido, la ruta de la corriente está confinada por el implante de iones y la apertura de óxido.

La aceptación inicial de los VCSEL de óxido estuvo plagada de preocupaciones acerca de que las aberturas "salieran" debido a la tensión y los defectos de la capa de oxidación. Sin embargo, después de muchas pruebas, la confiabilidad de la estructura ha demostrado ser robusta. Como se indica en un estudio de Hewlett Packard sobre VCSEL de óxido, "los resultados de la tensión muestran que la energía de activación y la vida útil de desgaste del VCSEL de óxido son similares a la del implante VCSEL que emite la misma cantidad de potencia de salida". [3]Un problema de producción también plagó a la industria cuando se trasladaron los VCSEL de óxido del modo de investigación y desarrollo al modo de producción. La tasa de oxidación de la capa de óxido depende en gran medida del contenido de aluminio. Cualquier ligera variación en el aluminio cambiaría la tasa de oxidación, lo que a veces da como resultado aberturas demasiado grandes o demasiado pequeñas para cumplir con los estándares de especificación.

Se han demostrado dispositivos de longitud de onda más larga, de 1300 nm a 2000 nm, con al menos la región activa hecha de fosfuro de indio . Los VCSEL a longitudes de onda incluso más altas son experimentales y, por lo general, se bombean ópticamente. Los VCSEL de 1310 nm son deseables ya que la dispersión de la fibra óptica a base de sílice es mínima en este rango de longitud de onda.

Formas especiales [ editar ]

Múltiples dispositivos de región activa (también conocidos como VCSEL en cascada bipolar)
Permite valores diferenciales de eficiencia cuántica superiores al 100% mediante el reciclaje de portadores
VCSEL con cruces de túneles
Utilizando una unión de túnel ( n + p + ), se puede construir una configuración de clavijas nn + p + - eléctricamente ventajosa que también puede influir beneficiosamente en otros elementos estructurales (por ejemplo, en la forma de una unión de túnel enterrada (BTJ)).
VCSEL sintonizables con espejos móviles micromecánicamente ( MEMS )
( con bombeo óptico [4] o eléctrico [5] [6] )
VCSEL unido con obleas o fusionado con obleas
Combinación de materiales semiconductores que pueden fabricarse utilizando diferentes tipos de obleas de sustrato [7]
VCSEL monolíticamente bombeados ópticamente
Dos VCSEL uno encima del otro. Uno de ellos bombea ópticamente al otro.
VCSEL con diodo monitor integrado longitudinalmente
Un fotodiodo está integrado debajo del espejo trasero del VCSEL. VCSEL con diodo monitor integrado transversalmente: Con un grabado adecuado de la oblea del VCSEL, se puede fabricar un fotodiodo resonante que puede medir la intensidad de la luz de un VCSEL vecino.
VCSEL con cavidades externas (VECSEL)
Los VECSEL se bombean ópticamente con diodos láser convencionales. Esta disposición permite bombear un área más grande del dispositivo y, por lo tanto, se puede extraer más energía, hasta 30W. La cavidad externa también permite técnicas intracavitarias como duplicación de frecuencia, operación de frecuencia única y modelado de pulsos de femtosegundos.
Amplificadores ópticos semiconductores de cavidad vertical
Los VCSOA están optimizados como amplificadores en lugar de osciladores. Los VCSOA deben funcionar por debajo del umbral y, por lo tanto, requieren reflejos de espejo reducidos para disminuir la retroalimentación. Para maximizar la ganancia de la señal, estos dispositivos contienen una gran cantidad de pozos cuánticos (los dispositivos con bombeo óptico se han demostrado con 21 a 28 pozos) y, como resultado, exhiben valores de ganancia de un solo paso que son significativamente mayores que los de un VCSEL típico. (aproximadamente el 5%). Estas estructuras funcionan como amplificadores de ancho de línea estrecho (decenas de GHz) y pueden implementarse como filtros amplificadores.

Características [ editar ]

Debido a que los VCSEL emiten desde la superficie superior del chip, se pueden probar en la oblea antes de dividirlos en dispositivos individuales. Esto reduce el costo de fabricación de los dispositivos. También permite que los VCSEL se construyan no solo en matrices unidimensionales, sino también bidimensionales .

La mayor apertura de salida de los VCSEL, en comparación con la mayoría de los láseres emisores de bordes, produce un ángulo de divergencia más bajo del haz de salida y hace posible una alta eficiencia de acoplamiento con fibras ópticas.

La pequeña región activa, en comparación con los láseres emisores de bordes, reduce el umbral de corriente de los VCSEL, lo que da como resultado un bajo consumo de energía. Sin embargo, hasta ahora, los VCSEL tienen una potencia de emisión más baja en comparación con los láseres que emiten desde el borde. La corriente de umbral bajo también permite anchos de banda de modulación intrínseca altos en VCSEL. [8]

La longitud de onda de los VCSEL se puede sintonizar, dentro de la banda de ganancia de la región activa, ajustando el grosor de las capas reflectoras.

Mientras que los primeros VCSEL se emitían en múltiples modos longitudinales o en modos de filamento, los VCSEL monomodo ahora son comunes.

VCSEL de alta potencia [ editar ]

También se pueden fabricar láseres emisores de superficie de cavidad vertical de alta potencia, ya sea aumentando el tamaño de apertura de emisión de un solo dispositivo o combinando varios elementos en grandes conjuntos bidimensionales (2D). Se han informado relativamente pocos estudios sobre VCSEL de alta potencia. Los dispositivos individuales de gran apertura que funcionan alrededor de 100 mW se informaron por primera vez en 1993. [9] Las mejoras en el crecimiento epitaxial, el procesamiento, el diseño del dispositivo y el empaque llevaron a que los VCSEL individuales de gran apertura emitieran varios cientos de milivatios en 1998. [10] Más En 1998 también se informó de una operación de onda continua (CW) de 2 W a una temperatura del disipador de calor de -10 grados Celsius a partir de una matriz VCSEL que consta de 1000 elementos, lo que corresponde a una densidad de potencia de 30 W / cm 2 .[11] En 2001, se informó de más de 1 W de potencia CW y 10 W de potencia pulsada a temperatura ambiente a partir de una matriz de 19 elementos. [12] El chip de matriz VCSEL se montó en unesparcidor de calor de diamante , aprovechando la muy alta conductividad térmica del diamante. En 2005 se informó una potencia de salida récord de 3 W en CW a partir de dispositivos individuales de gran diámetro que emiten alrededor de 980 nm. [13]

En 2007, se informó de más de 200 W de potencia de salida de CW de una gran matriz de VCSEL 2D (5 × 5 mm) que emite alrededor de la longitud de onda de 976 nm, [14] lo que representa un avance sustancial en el campo de los VCSEL de alta potencia. El alto nivel de potencia alcanzado se debió principalmente a las mejoras en la eficiencia del enchufe de pared y el empaque. En 2009, se informaron niveles de potencia> 100 W para matrices VCSEL que emitían alrededor de 808 nm. [15]

En ese momento, la tecnología VCSEL se volvió útil para una variedad de aplicaciones médicas, industriales y militares que requieren alta potencia o alta energía. Ejemplos de tales aplicaciones son:

  • Médico / cosmético: depilación láser, eliminación de arrugas con láser
  • Iluminadores infrarrojos para militares / vigilancia
  • Bombeo de láseres de estado sólido y láseres de fibra
  • Segunda generación de armónicos de alta potencia / alta energía (luz azul / verde) [16]
  • Mecanizado láser: corte por láser , perforación por láser , ablación por láser , grabado por láser

Aplicaciones [ editar ]

  • Transmisión de datos por fibra óptica
  • Transmisión de señales analógicas de banda ancha
  • Espectroscopía de absorción ( TDLAS )
  • Impresoras laser
  • Ratón de computadora
  • Análisis biológico de tejidos
  • Reloj atómico a escala de chip
  • Lidar para cámaras de teléfonos móviles
  • Luz estructurada (por ejemplo, el "proyector de puntos" para iPhone X)
  • Lidar para evitar colisiones de automóviles

Historia [ editar ]

El primer VCSEL fue informado por Ivars Melngailis en 1965. [17] [18] [19] A fines de la década de 1970, Soda, Iga, Kitahara y Suematsu realizaron un trabajo importante en los VCSEL , [20] pero los dispositivos para el funcionamiento de CW a temperatura ambiente no se informaron hasta 1988. [21] El término VCSEL fue acuñado en una publicación de la Optical Society of America en 1987. [22] En 1989, Jack Jewell dirigió una colaboración Bell Labs / Bellcore (incluyendo Axel Scherer , Sam McCall, Yong Hee Lee y James Harbison) que demostraron más de 1 millón de VCSEL en un chip pequeño. [23] [24]Estos primeros VCSEL de semiconductores introdujeron otras características de diseño que todavía se utilizan en todos los VCSEL comerciales. "Esta demostración marcó un punto de inflexión en el desarrollo del láser emisor de superficie. Varios grupos de investigación más entraron en el campo, y pronto se informaron muchas innovaciones importantes de todo el mundo". [25] Andrew Yang, de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA), rápidamente inició una financiación significativa para la I + D de VCSEL, seguida de otros esfuerzos de financiación del gobierno y la industria. [25] Los VCSEL reemplazaron los láseres de emisión de borde en aplicaciones para comunicaciones de fibra óptica de corto alcance como Gigabit Ethernet y Fibre Channel , y ahora se utilizan para anchos de banda de enlace de 1 Gigabit / seg a> 400 Gigabit / seg.

Ver también [ editar ]

  • Interconexión óptica
  • Cuello de botella de interconexión
  • Cable de fibra óptica
  • Comunicación óptica
  • Interfaz óptica paralela

Referencias [ editar ]

  1. ^ Extance, Andy (9 de abril de 2018). "Rostros se iluminan sobre las perspectivas de VCSEL" . SPIE .
  2. ^ Bohn, Dieter (5 de febrero de 2018). "Intel fabricó unas gafas inteligentes que parecen normales" . The Verge .
  3. ^ http://photonicssociety.org/newsletters/aug99/article6.htm
  4. ^ V. Jayaraman, J. Jiang, B. Potsaid, G. Cole, J Fujimoto y Alex Cable "Diseño y rendimiento de VCSEL de 1310 nm de alta frecuencia de repetición, ancho de línea estrecho y ampliamente sintonizable para tomografía de coherencia óptica de fuente de barrido", volumen SPIE 8276 papel 82760D, 2012
  5. ↑ C. Gierl, T. Gruendl, P. Debernardi, K. Zogal, C. Grasse, H. Davani, G. Böhm, S. Jatta, F. Küppers, P. Meißner y M. Amann, "Surface micromecanizado sintonizable 1,55 µm-VCSEL con ajuste monomodo continuo de 102 nm, "Opt. Express 19, 17336-17343 2011
  6. ^ DD John, C. Burgner, B. Potsaid, M. Robertson, B. Lee, WJ Choi, A. Cable, J. Fujimoto y V. Jayaraman, “VCSEL sintonizable por MEMS de 1050 nm bombeado eléctricamente de banda ancha para imágenes oftálmicas , ”Jnl. Lightwave Tech., Vol. 33, no. 16, págs. 3461 - 3468, febrero de 2015.
  7. ^ V. Jayaraman, GD Cole, M. Robertson, A. Uddin y A. Cable, “MEMS-VCSEL de 1310 nm de alta velocidad de barrido con rango de sintonización continua de 150 nm”, Electronics Letters, vol. 48, no. 14, págs. 867–869, 2012.
  8. ^ Iga, Kenichi (2000). "Láser emisor de superficie: su nacimiento y generación de un nuevo campo de optoelectrónica". Revista IEEE de temas seleccionados en electrónica cuántica . 6 (6): 1201-1215. Código Bibliográfico : 2000IJSTQ ... 6.1201I . doi : 10.1109 / 2944.902168 .
  9. ^ Peters, F .; M. Peters; D. Young; J. Scott; B. Thibeault; S. Corzine; L. Coldren (enero de 1993). "Láseres emisores de superficie de cavidad vertical de alta potencia". Cartas de electrónica . 29 (2): 200–201. doi : 10.1049 / el: 19930134 .
  10. ^ Grabherr, M .; R. Jager; M. Miller; C. Thalmaier; J. Herlein; R. Michalzik; K. Ebeling (agosto de 1998). "VCSEL de emisión inferior para potencia de salida óptica de alta CW". Cartas de tecnología fotónica IEEE . 10 (8): 1061–1063. Código Bibliográfico : 1998IPTL ... 10.1061G . doi : 10.1109 / 68.701502 .
  11. ^ Francis, D .; Chen, H.-L .; Yuen, W .; Li, G .; Chang-Hasnain, C. (octubre de 1998). "Matriz monolítica 2D-VCSEL con> 2 W CW y> 5 W de potencia de salida pulsada". Cartas de electrónica . 34 (22): 2132–2133. doi : 10.1049 / el: 19981517 .
  12. ^ Miller, M .; M. Grabherr; R. Jager; K. Ebeling (marzo de 2001). "Matrices VCSEL de alta potencia para emisión en régimen de vatios a temperatura ambiente". Cartas de tecnología fotónica IEEE . 13 (3): 173-175. Código Bibliográfico : 2001IPTL ... 13..173M . doi : 10.1109 / 68.914311 .
  13. ^ D'Asaro, LA; J. Seurin y J.Wynn (febrero de 2005). "Los VCSEL de alta potencia y alta eficiencia persiguen el objetivo" . Espectros fotónicos . 39 (2): 62–66.
  14. ^ Seurin, JF .; LA D'Asaro; C. Ghosh (julio de 2007). "Una nueva aplicación para VCSEL: láseres de bomba de alta potencia" . Espectros fotónicos . 41 (7).
  15. ^ Seurin, JF .; G. Xu; V. Khalfin; A. Miglo; JD Wynn; P. Pradhan; CL Ghosh; LA D'Asaro (febrero de 2009). "Progreso en arreglos VCSEL de alta potencia y alta eficiencia". Procedimientos SPIE, en láseres emisores de superficie de cavidad vertical XIII . Láseres emisores de superficie de cavidad vertical XIII. 7229 : 722903–1–11. doi : 10.1117 / 12.808294 .
  16. ^ Van Leeuwen, R .; Seurin, JF .; Xu, G .; Ghosh, C. (febrero de 2009). "Matrices de láser azul de cavidad extendida vertical duplicada de frecuencia intracavitaria pulsada de alta potencia". Procedimientos SPIE, en Láseres de Estado Sólido XVIII: Tecnología y Dispositivos . Láseres de estado sólido XVIII: Tecnología y dispositivos. 7193 : 771931D – 1–9. doi : 10.1117 / 12.816035 .
  17. ^ Eli Kapon (1998). Láseres semiconductores II: materiales y estructuras . ISBN 9780080516967.
  18. ^ Shun Lien Chuang (2009). Física de dispositivos fotónicos .
  19. ^ JK Peterson (2002). Diccionario ilustrado de fibra óptica . ISBN 9780849313493.
  20. ^ Soda, Haruhisa; et al. (1979). "Láseres de inyección de emisión de superficie GaInAsP / InP". Revista japonesa de física aplicada . 18 (12): 2329–2330. Código Bibliográfico : 1979JaJAP..18.2329S . doi : 10.1143 / JJAP.18.2329 .
  21. ^ Koyama, Fumio; et al. (1988). "Funcionamiento cw a temperatura ambiente del láser emisor de superficie de cavidad vertical de GaAs". Trans. IEICE . E71 (11): 1089–1090.
  22. ^ Christensen, DH; Barnes, FS (febrero de 1987). "Láser emisor de superficie de cavidad vertical en GaAs / AlGaAs epitaxiales de haz molecular utilizando un espejo dieléctrico multicapa". Reunión temática sobre láseres semiconductores, Technical Digest . Sociedad Óptica de América. 6 : WA7-1. ISBN 0-936659-39-4.
  23. ^ Jewell, JL; Scherer, A .; McCall, SL; Lee, YH; Walker, S .; Harbison, JP; Florez, LT (agosto de 1989). "Microláseres emisores de superficie de cavidad vertical bombeados eléctricamente de umbral bajo". Cartas de electrónica . 25 (17): 1123–1124. doi : 10.1049 / el: 19890754 .
  24. ^ Lee, YH; Jewell, JL; Scherer, A .; McCall, SL; Harbison, JP; Florez, LT (septiembre de 1989). "Diodos de microlaser de pozo cuántico único de cavidad vertical de onda continua a temperatura ambiente" (PDF) . Cartas de electrónica . 25 (20): 1377-1378. doi : 10.1049 / el: 19890921 .
  25. ^ a b Towe, Elías; Leheny, Robert F .; Yang, Andrew (diciembre de 2000). "Una perspectiva histórica del desarrollo del láser emisor de superficie de cavidad vertical". Revista IEEE sobre temas seleccionados en electrónica cuántica . 6 (6): 1458–1464. Código Bibliográfico : 2000IJSTQ ... 6.1458T . doi : 10.1109 / 2944.902201 .

Enlaces externos [ editar ]

  • Láseres emisores de superficie de longitud de onda larga: Introducción
  • Britney's Guide to Semiconductor Physics: VCSELs