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感觉好像被折了一段一样原因就是光的折射，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)依次为：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)依次为：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)…的周期性结构，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(波长范围较大)」变成「较纯的反射光或穿透光(波长范围较小)」，如图一(b)所示，换句话说，DBR光栅的主要功能就是「使光变纯(波长范围变小)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，当然LED为了增加亮度，也有在研磨抛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「谐振腔(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镜来回反射产生「谐振放大(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，我在此不再多解释，他们是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），氧化制程让谐振腔定义出最佳的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，最后研磨与切割变成一颗颗芯片，再进行测试与出货给封装厂，由于结构上跟红黄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感觉呢？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统（车用市场）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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