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内容导航：1、VCSEL结构与DBR反射腔体原理2、DBR基本原理3、垂直腔面发射激光器和激光二极管的区别4、分布反馈激光器的作用效果1、VCSEL结构与DBR反射腔体原理
1 VCSEL结构
图4 VCSEL激光器结构
如图4，该结构由镜面，有源层和金属接触层组成，2个反射镜分别为N型和P型DBR堆成的布拉格反射光栅。有源层由1~3个量子阱组成。有源区的两侧是限制层，一方面起限制载流子的作用，另一方面调节谐振腔的长度，使其谐振波长正好是所需要的激光波长。在衬底和P型DBR的外表面制作金属接触层，形成欧姆接触，并在P型DBR上制成一个圆形光窗口，输出圆形的激光束。
典型的氧化限制型VCSEL结构剖面如图５所示，最上方为环型电极。向下依次为欧姆接触层，上DBR，氧化限制层，量子阱有源区，下DBR，衬底及下电极。由构成氧化限制层。电流从正电极注入，通过氧化孔径注入到有源区，满足受激辐射的条件后，产生光增益，产生的光子经过上下DBR反射，并在上下DBR形成的谐振腔种形成稳定的驻波，使受激辐射不断增强，激射光从反射率较小的DBR出射，稳定输出光波。通常VCSEL 的DBR反射率接近100%，上DBR反射率相对较低。
图５ 四种常见的VCSEL结构：（ａ）空气柱型，（ｂ）氧化限制型，（ｃ）质子注入型（ｄ）掩埋异质结型
氧化物限制结构的意义在于：能较好的控制出光孔的面积和芯片尺寸，提高器件效率，并能很好的与光纤进行耦合。而且采用氧化物限制结构可以使器件阈值电流降至几百uA，这样要想达到1mW的输出功率需要几个mA的驱动电流。利用氧化物限制结构形成对电流和光场的限制，大大提高了器件的功率，同时又降低了器件的阈值电流，通过采用氧化物限制结构可以有效的控制在单芯片上制作大型，密集型VCSEL阵列工作时过热的现象。除低阈值，高效率外，氧化物限制型结构取得成功的另一个因素是均匀性好。
2 VCSEL制作工艺
一个完整的VCSEL器件制作工艺流程主要是：材料外延生长→外延结构的表征（如X射线衍射，反射谱，霍尔测量，电化学C-V特性等）→器件工艺（包括外延片清洗，光刻，刻蚀，氧化，绝缘膜沉积，光学镀膜，合金化，剥离，减薄等）→后端工艺（包括引线键合，划片，裂片，封装等）→器件特性测试（包括I-V 特性，I-P特性，发射光谱，温度特性等）
3 VCSEL材料
VCSEL的材料可分为两部分：一是有源区的材料体系，二是DBR的材料体系。表1 是目前VCSEL中被广泛应用的DBR材料，根据器件所需的不同波长选取不同的材料体系，其选择的依据是形成具有高折射率差，高热导率，低的光学吸收率，低的电阻，并且晶格适配和热适配小的DBR膜。
表1 常用的DBR材料体系
表2 常用的有源区材料体系
材料的生长是通过外延技术来实现的，外延生长是指在衬底上生长与其材料相同或有相近晶学趋向的薄层单晶的生长过程。外延生长作为半导体激光器制作过程中的核心步骤。目前常用的外延生长工艺方法有液相外延法（LEP），金属有机化学气相沉积（MOCVD），分子束外延法（MBE），化学束外延法（CBE）等，这些方法分别有着各自不同的优缺点和适用范围，根据不同的材料生长可选择不同的方法。
4 VCSEL激光器DBR原理
4.1 等倾干涉
如图6由光源发出的一簇平行光线经平行板反射后，都汇聚在无穷远处，或者通过图示的透镜会聚在焦平面上，产生等倾干涉
图6 平行板干涉的光程示意图
由图示光路可见，该光程差为
式中
分别为平板折射率和周围介质的折射率，N是由C点向AD所引垂线的垂足，自N点和C点到透镜焦平面P点的光程相等。平板厚度为h，入射角和折射角分别为
，则由集合关系有
再利用折射定律
可得到光程差为
进一步，由于平板两侧的折射率与平板折射率不同，无论
，从平板两表面反射的两支光中总有一支发生“半波损失”。所以，上面得到的光程差还应加上附加光程差
，故
如果平板两侧的介质折射率不同，并且平板折射率的大小介于两种介质折射率之间，则两支反射光间无“半波损失”贡献，此时的光程差仍采用公式 (11)。由此可以得到焦平面上的光强分布为两束光干涉
式中，
分别为两支反射光的强度。
为波矢。显然，形成亮暗干涉条纹的位置，有下述条件决定：
相应光程差
4.2平行板多光束干涉
图7 在透镜焦平面上产生多光束干涉
如上图7，在计算干涉场上任一点P（在透射方向相应点 ）的光强度。与P 点（和 P‘）对应的多光束的入射角为
，它们在平行板内的折射角为 ，因而相继两束光的光程差为
相位差
式中 nh是平板的光学厚度，λ 为真空中的波长。假设光束从周围介质射入平板内时，反射系数为r ,透射系数为t ,从平板射出时相应的系数为r ’ 和 t‘ ,并设入射光的振幅为
,则从平板反射出来的各光束的振幅依次为
从平板透射出来的各光束的振幅依次为
因此，可以把所有的反射光束在P点的场分别写为
为初始相位常数。当弃去共同的因子
后，P点和成场的振幅为
利用
根据菲涅耳公式可以证明
由平板表面反射系数，透射系数与反射率，透射率的关系
所以
由此得到反射光在P点的光强度为
式中，
是入射光的强度。
同样的方法可以得到透射光强度为
(21)和(22)既是反射光干涉场和透射光干涉场的强度分布公式，通常也称为爱里公式。
4.3 单层反射膜
图8单层膜的反射和透射
如上图8所示，设薄膜的厚度为h，折射率为n，薄膜两边的空气和基片的折射率分别为
。并设光从空气进入薄膜时在界面上的反射系数和透射系数分别为
，而从薄膜进入空气时反射系数和透射系数分别为
，光从薄膜进入基片时在界面上的反射系数和透射系数分别为
。注意到
，则按照上面的计算方法可以得到薄膜上反射光的复振幅为图8单层膜的反射和透射
透射光的复振幅为
式中，
是入射光振幅，
是相继两光束由光程差所引起的相位差
是光束在薄膜中的入射角。因此由(23)和(24)可得到薄膜的反射系数为
透射系数为
反射率
透射率
当光束正入射到薄膜上时，在薄膜两表面上的反射系数分别为
把 (30)带入到(28)，即可以得到正入射情况下，以折射率和两相继光束位相差
表示的薄膜的反射率公式
当单层膜的光学厚度引起的部分
外，还有由于两表面反射时的位相变化不同引起的附加光程
，所以总光程差为 λ，反射光干涉增强，反射率最大值。由此求出这时膜系对波长λ 的反射率为
上式表明，所选用的单层膜的折射率越高，膜系的反射率越高
图9单层膜的反射率与膜层折射率关系
2.4 多层反射膜
多层高反射膜是一种由光学厚度均为λ/4 的高折射率层和低折射率层交替叠成的膜系，这种膜系称为λ/4 膜系，通常用下列符号表示：
其中，G和A分别代表基层和空气，H和L分别代表高折射率和低折射率层，2p+1 是膜层数。当膜层两侧介质的折射率大于或小于膜层的折射率时，若膜层的诸反射光束中相继两光束的位相差等于Pi （光程差等于λ/2 ），则该波长的反射光获得最强烈的反射。
图10多层 λ/4膜系
图10所示的膜系正好是使它包含的每一层膜满足上述反射增强条件，所以入射光在每一膜层上都获得强烈的反射，经过若干层的反射之后，入射光就几乎全部被反射回去。
一般情况下，这种膜系反射率的计算可以利用上述的递推公式由计算机软件完成。对于正入射和仅考察波长
的情况，反射率的表达式有较简单的形式，由递推法不难求出这种情况下的反射率为
式中，
分别为低折射率和高折射率。
相差越大，膜层数
越多，膜系的反射率就越高。取
.得到如下膜层数与反射率的关系。可以看到随着膜层数的增加反射增大。当膜层为30层时，得到的反射率为97.97%。
图11典型VCSEL DBR膜层
迄今为止，基于发光二极管应用的DBR材料体系主要包括
等。其中，
主要应用于可见光
和红外光
而
主要应用于GaN基LED器件。
由于
材料的晶格常数5.6533×10-10m与 5.65×10-10m相匹配， 材料的DBR结构主要包括
组合。其中
有较大的材料折射率差，用较少材料层就能使DBR有很高的光谱反射率。
图12 激光器DBR反射谱
2、DBR基本原理
激光器的两个基本概念，一是受激发射，二是谐振腔。本文对VCSEL类型激光器中构成谐振腔的DBR（Distributed Bragg Reflector）的基本原理进行介绍。分别介绍两个基本的物理知识：反射相变与薄膜干涉。DBR在VCSEL激光器中的位置如下图：当光从光疏介质n1射向光密介质n2（折射率n2>n1）时，反射光会在界面处发生180度相变。而从光密介质射向光疏介质时则不会发生相变。从工程角度理解，光也是一种电磁波，光的反射与电信号在阻抗变化时的反射可以类比。当电信号由高阻抗传输线进入低阻抗传输线时，会产生负相反射（相变180度），从低阻抗进入高阻抗时，会产生正相反射（无相变）。光传输介质的折射率类比于电信号传输的阻抗。更深层次的解释不在本文讨论范围内。光在穿过一层薄膜时，会在上下表面发生两次反射，薄膜的厚度会影响两次反射的光程差，如果控制薄膜厚度为（1/4+N）倍的波长，则两次反射的光程差为(1/2+2N)，该光程差对应180度相变，而其中一次反射又会发生180相变，则两次的反射光最终同相，叠加增强，即增加了总体的反射系数。而DBR实际就是两种折射率的介质交替叠层，光经过DBR时，每过一层都会增加一定的反射系统，最终DBR的反射系数可以达到很高的水平。薄膜干涉机制示意图：图注1：为显示清晰将三束光分开画，实际是叠在一起的；图注2：蓝色的第一次反射（180度相变）与黄色的第二次反射光（因光程差导致180度相位差）最终同相，叠加增强。这里只介绍了一种DBR的工作机制，实际还有其它类型的DBR，如DFB激光器中使用的DBR与VCSEL中使用的在结构上就有差别。但DBR都是使用干涉原理工作的，所以DBR对特定一些波长范围的光才会有高反射率，并且可以做到极低的损耗，与其它类型反射器（如金属表面）在反射特性上有差别。
3、垂直腔面发射激光器和激光二极管的区别
垂直腔面发射激光器就是通常所说的面发射型，面发射激光器：随着激光器功率的不断提高，激光器内部发热量的不断增加，要求我们提高散热效率、降低单位面积发热功率，在这种情况下就发明了面发射激光器。其主要的改进在于出光端面，上面提到的所有激光器基本都是做成的条形结构或平板结构，并采用沿平行波导或者说是异质结界面的端面出光，这要使得内部发热功率很高，在大功率工作条件下很容易烧毁，而改用面发射之后，出光面改为为异质结的生长方向出光，大大增加了出光面积，而是发热功率以及散热性都得到大幅改善。其在出光方向上的谐振实现光放大类似DBR激光器的结构，采用布拉格光栅实现纵模振荡和光放大。
4、分布反馈激光器的作用效果
DFB－LD的光栅是完全均匀对称的，使得其发光出现了两个主模同时振荡的现象。为了将辐射功率集中在同一主模上，同时使各振荡模式的阈值增益差增大，可以采用如下方法：（1）在均匀分布的周期折射率光栅区引进一个λ/4相移；（2）将解理面之一增透或另一面增反，造成非对称的腔面反射率；（3）在有源区中靠近腔面的一小段区域上形成无分布反馈光栅的透明区；（4。引进λ/4相移和不对称端面反射率结构两种方法较可行且有效。虽然λ/4相移方法在工艺上有一定难度，但是能获得性能很好的动态单纵模。是建立在DBF－LD和DBR－LD的基础上发展起来的，在波分复用（WDM）、频分复用（FDM）通信系统的方面应用广泛，还可以用做小的振荡光源和波长转换器。进一步的研究已经实现了基于DFB－LD和DBR－LD的高速激光器、窄线宽激光器和光栅面发射激光器。
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