你不可不知關(guān)于VCSEL的幾個(gè)基本原理

發(fā)布日期：2017-10-09 作者：admin 點(diǎn)擊：

在介紹VCSEL技術(shù)之前，這幾個(gè)基本原理與名詞你不可不知，知道了這些基本知識(shí)，關(guān)于VCSEL的技術(shù)原理就非常簡(jiǎn)單了。

光的反射折射與折射率：

我們小時(shí)候都有做過(guò)光的反射與折射實(shí)驗(yàn)，尤其是筷子在水里面感覺(jué)好像被折了一段一樣原因就是光的折射，折射率越大，偏折越厲害，原因是光在介質(zhì)的速度變慢了，介質(zhì)的折射率大小，與光在介質(zhì)中的速度成反比，光在介質(zhì)中的速度(v)愈大，則介質(zhì)的折射率(n)愈小；光在介質(zhì)中的速度(v)愈小，則介質(zhì)的折射率(n)愈大。
實(shí)驗(yàn)證實(shí)光在介質(zhì)中的速度(v)依次為：v(氣體)＞v(液體)＞v(單晶固體)＞v(非晶固體)。所以光在介質(zhì)的折射率(n)依次為：n(氣體)＜n(液體)＜n(單晶固體)＜n(非晶固體)。

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

沿著光前進(jìn)的方向上設(shè)計(jì)出特別的不同折射率材料交替的膜層，膜層厚度是該材料四分之一發(fā)光波長(zhǎng)厚度（λ/4n, λ是純光波長(zhǎng)，n是該材料的折射率），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)…的周期性結(jié)構(gòu)，如圖二(a)所示，稱為「DBR光柵(Grating)」。光波在光柵中前進(jìn)的時(shí)候，遇到折射率大的介質(zhì)時(shí)，光的速度變慢；遇到折射率小的介質(zhì)時(shí)，光的速度變快，光波在不同折射率之間的接口都會(huì)發(fā)生反射與折射，科學(xué)家經(jīng)過(guò)復(fù)雜的光學(xué)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，DBR光柵可以使「不純的入射光(波長(zhǎng)范圍較大)」變成「較純的反射光或穿透光(波長(zhǎng)范圍較小)」，如圖一(b)所示，換句話說(shuō)，DBR光柵的主要功能就是「使光變純(波長(zhǎng)范圍變小)與控制光的反射與穿透比率」，激光二極管(LD)的光很純，發(fā)光二極管(LED)的光不純，顯然激光二極管內(nèi)一定有DBR光柵的結(jié)構(gòu)，當(dāng)然LED為了增加亮度，也有在研磨拋光藍(lán)寶石背面之后鍍上DBR反射層，可以增加2~3%的亮度。

圖一分布布拉格反射鏡DRR原理示意圖
>>激光的諧振效應(yīng)(Resonance)：

激光的發(fā)光區(qū)就是它的「諧振腔(Cavity)」，諧振腔其實(shí)可以使用一對(duì)鏡子組成，如圖二所示，使光束在左右兩片鏡子之間來(lái)回反射，不停地通過(guò)發(fā)光區(qū)吸收光能，最后產(chǎn)生諧振效應(yīng)，使光的能量放大，一般激光二極管的兩片鏡子就是用DBR鍍膜來(lái)控制諧振腔的諧振效應(yīng)。

>>激光二極管的電激發(fā)光(EL：Electroluminescence)：

我們以「砷化鎵激光二極管(GaAs laser diode)」為例，先在砷化鎵激光二極管芯片(大約只有一粒砂子的大小)上下各蒸鍍一層金屬電極，對(duì)著芯片施加電壓，當(dāng)芯片吸收電能產(chǎn)生「能量激發(fā)(Pumping)」，則會(huì)發(fā)出某一種波長(zhǎng)(顏色)的光。發(fā)射出來(lái)的光經(jīng)由左右兩個(gè)反射鏡來(lái)回反射產(chǎn)生「諧振放大(Resonance)」，由于右方的反射鏡設(shè)計(jì)可以穿透一部分的光，所以高能量的激光光束就會(huì)由右方穿透射出，如圖二所示。

圖三激光二級(jí)管發(fā)射激光的原理示意圖

VCSEL制程到底難嗎？

除了上面的基本知識(shí)，這些與LED技術(shù)相似的制程術(shù)語(yǔ)你也必須知道，我在此不再多解釋，他們是MOCVD（有機(jī)氣相外延沉積）與MBE（分子束外延）外延技術(shù)，光刻技術(shù)決定芯片圖形與尺寸，ICP-RIE（電感耦合反應(yīng)離子刻蝕）技術(shù)刻蝕出發(fā)光平臺(tái)（Mesa），氧化制程讓諧振腔定義出最佳的VCSEL光電特性，鈍化絕緣制程讓暴露的半導(dǎo)體材料不受空氣與水汽影響可靠度，最后研磨與切割變成一顆顆芯片，再進(jìn)行測(cè)試與出貨給封裝廠，由于結(jié)構(gòu)上跟紅黃LED芯片類似，是上下電極垂直結(jié)構(gòu)，所以一般是先測(cè)試芯片特性再進(jìn)行切割與最后分選。圖三就是VCSEL的芯片與封裝示意圖，做LED的人有沒(méi)有似曾相識(shí)的感覺(jué)呢？目前主流的VCSEL是To-can封裝與陣列封裝，尤其在高功率傳感系統(tǒng)（車用市場(chǎng)）里面需要用到倒裝flip chip的陣列封裝。

圖三 VCSEL的芯片與封裝示意圖

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