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VCSEL:改变明天的激光器

已有 5725 次阅读 2019-3-1 14:27 |个人分类:科研随想|系统分类:科研笔记| VCSEL, 应用

本文发表在中国激光微信公众号

如果问哪种激光器会和大家形影不离,那么这种激光器应该是垂直腔面发射激光器(VCSEL)。VCSEL从它的出现到今天已有40年,之前为科研和通讯行业人士所熟知,用于激光鼠标和数据中心以及超级计算机中的光互连等领域。2017年苹果X手机引入了面部识别(3D传感)功能(其中VCSEL用于结构光光源),引燃了人们对3D传感的关注。由于消费电子市场巨大,VCSEL也渐被投资人士和产业界所热捧。

什么是VCSEL?

VCSEL和边发射激光器(EEL)有显著区别,如图1所示。VCSEL结构从下至上依次为n电极、下分布布拉格反射镜(DBR)、有源区、氧化层、上DBR,其中氧化层用于形成氧化孔径限制电流和光场。VCSEL激光腔由处于材料生长方向上的上/下DBR构成,激光沿着材料生长方向从DBR出射。由于VCSEL横向结构的空间对称性,VCSEL出射光束的光斑呈圆形。

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VCSEL有哪些优点?

VCSEL结构独特,具有许多优异的特性,如:(1)体积小;(2)阈值电流低,功耗低;(3)调制带宽高;(4)圆形光束,易与光纤耦合;(5)在片测试,降低测试成本;(6)二维阵列排列;(7)成本低,等等。

VCSEL有哪些应用?

VCSEL应用非常广泛,如:(1)数据通讯;(2)光传感;(3)面部识别;(4)激光打印;(5)激光显示;(6)激光照明;(7)汽车电子;(8)激光加工;(9)消费电子;(10)原子传感;(11)激光雷达,等等。

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在VCSEL出现40周年之际,由拥有10多年VCSEL基础研究和产业化经历的中国科学院半导体研究所刘安金研究员、柏林工业大学Philip Wolf先生、James A. Lott教授和Dieter Bimberg院士等人组成的国际团队,在Photonics Research上发表了题为Vertical-cavity surface-emitting lasers for data communication and sensing 的综述文章。文章主要分为以下5部分:

第1部分简要回顾了VCSEL的历史,介绍了VCSEL动态调制的基本理论;

第2部分系统回顾了VCSEL在调制速度、能效以及温度稳定性方面取得的进展及其器件结构的演化,还介绍了其在基于高阶调制格式提高传输速度方面取得的最新成果和其与平面光子回路集成的方案;

第3部分介绍了基于VCSEL的传感器的原理,以及其在消费电子和汽车电子等方面的应用;

第4部分介绍了基于亚波长超结构的新型VCSEL,这种新型VCSEL展现出传统VCSEL所不具备的优异性能,以及其与平面光子回路集成的巨大潜力;

第5部分是总结和展望,未来VCSEL将逐渐渗入人们的日常生活,在消费电子、物联网、汽车电子、激光雷达、智能家居等诸多领域将大显身手。

感谢合作者的精诚合作,他们多遍逐字逐句修改到参考文献最后一个句号!尽管我们力求做到完美,但难免有纰漏甚至错误,欢迎大家交流、批评与指正!



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