1、大功率垂直腔面发射激光器用于激光显示2009-12-03 | 【大 中 小】eVCSEL 光源展现更丰富的色彩电泵浦的垂直腔表面发射激光器可以产生明亮、纯净的红、绿、蓝光，能用于背投电视。激光光源在背投电视领域的应用，吸引了众多厂商去研究：如何使家庭影视实现真彩色以及达到剧院效果。借助数字光处理（DLP）芯片或采用改进的液晶面板，目前用微显示技术可制造出尺寸达 70 英寸（对角线尺寸）的高质量显示屏。这些屏幕由传统的超高压汞灯照明，这种汞灯在亮度、色彩重现及使用寿命方面还有些不足。激光器可以代替汞灯与 DLP 或其他调制器一起使用，激光器作为光源具有几项优势。最大线宽只有几个纳米的激光使色彩数
2、量比现有的色彩标准增加了 30到 40。过去所需的彩色滤光片现在也可略去，这提高了光调制系统的工作效率；相关的紫外和红外发射器也可免去，工作寿命也显著延长（超过 10000 小时） ，同时，较好的方向性和较小的发散角也有利于光耦合。激光虽具有上述优点，但它作为背投电视光源却未能商业化，这主要是由于它成本过高及红光、绿光、蓝光激光器在封装上的难度较大。而 Principia Lightworks 研制成功了一种电子泵浦的垂直腔表面发射激光器（VCSEL ） （见图 1） ，图 1. eVCSEL 光源由电子束泵浦；电子束的扫描方式类似于阴极射线管（上图）eVCSEL 产生高质量的红光、绿光、蓝光
3、（下图）他们称它为 eVCSEL，其价格较低，有望应用到背投电视上。这种激光器可以安装在很薄的背投电视里。eVCSEL 腔内含有增益层，它由块状单晶半导体或多量子阱结构组成，后者通过标准的外延沉积技术制备，如金属有机物化学气相沉积技术。增益层位于一个高反射率镜子和一个输出耦合器的夹层内，其厚度为 5 到 10m，面积约为 2cm2。eVCSEL 产生红色激光的量子阱增益层材料为 InGaP/AlGaInP；产生绿光的材料为ZnCdSe/ZnSSe；产生蓝光的为 ZnSSe/ZnMgSSe。半导体由体结构的单晶晶圆制造，分别用CdSSe、 CdS 和 ZnSSe 等来制备相应的红光、绿光和蓝光材
4、料。由于 eVCSEL 的发散角约为 30 度，并且是通过电子束来扫描激光介质的，因而空间相干及相应的光斑现象实际上就从源头上消除了。载流子由阴极射线管发出的扫描电子束注入。为了减少反射及增加腔体受激体积，电子束由永久磁场作了 90 度偏转。扫描斑点的直径为 10 到 60m，加速电压为 35kV，电子束电流为 2mA。有一些因素对于电子束的直径大小很重要，比如，为了让 eVCSEL 的性能达到最优，让激光出射方向垂直于发射层尤为重要，这要求电子束的直径小于 60m。但是当电子束直径小于 10m 时，衍射损耗将占据主导地位，这导致了激光阈值的上升。Principia 制备的eVCSEL 中，电
5、子束直径为 25m，使用了预聚焦电极进行聚焦，电子束的直径很稳定，电流为 2mA。红绿蓝 eVCSEL 可放置在单个阴极射线管内，由同一电子束依次扫描，或者放置在三个电子束的系统内，同时接受扫描。VCSEL 发展起源1977 年，日本东京工业大学以 KENICHI I 为首的研究小组首次提出垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers，VCSELs）的概念，并于 1979 年实现 InGaAs/InP VCSELs 在低温下脉冲激射，1984 年，实现了 VCSELs 的室温连续脉冲工作。1991 年，California 大学 GEEL
6、R S 等人实现 980nm、InGaAs/GaAs VCSELs 室温连续激射。1996 年，Honeywell 推出了世界上第一支商品化 850nm VCSELs 器件，随后 Emcore、Picolight 等公司也相继开始提供 VCSELs 产品。1997 年，以 Kuznetsov 为首的研究小组第一次实现了以半导体激光器泵浦 InGaAs/GaAs 垂直外腔面发射激光器(Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Lasers ，VECSELs)产生 980nm 激光输出。目前相干公司已推出了商品化 6.25 W，532nm VECSELs
7、器件。VCSELs 器件结构典型的 VCSELs 器件如图 2 所示。中间是有源区，一般由量子阱组成；有源区的两侧是限制层，夹在两个高反镜(分布式布拉格反射镜 , DBR)之间；DBR 由厚度为 /4 的两种折射率差异较大的材料交替生长而成，DBR 的反射率一般在 99.5%99.9%之间；在衬底和 P 型DBR 的外表面需要制作金属接触层，形成欧姆接触，并在衬底上制成一个圆形出光窗口，输出圆形的激光束。通常 P 型 DBR 与有源区之间有一个 AlAs 层，这一层经选择氧化后变成低折射率的牢固的隔离氧化物 Al2O3，形成氧化限制层，这样就可以减少横向电流扩展效应，达到对有源区电流的限制。图
8、 2. 底发射氧化物限制型 VCSELs 结构示意图VCSELs 与边发射激光器（Edge-Emitting Lasers，EELs）相比的优点(1)光束质量：VCSELs 的出射光是圆形光束。通过适当优化设计的 VCSELs 还可以发出一个单横模光束(圆形高斯光束)。这个简单的光束结构，大大降低了耦合 /光束整形系统复杂性和成本( 与EELs 相比)，同时增加与光纤的耦合效率或泵浦效率。(2)波长稳定性：VCSELs 的激射波长是很稳定，因为它由较短 Fabry-Perot 腔确定。与 EELs 相反，VCSELs只能在一个单纵模下工作。VCSELs 发射波长的温度漂移系数很小(99%),
9、相当于一个腔反射镜。有的设计为提高泵浦光的吸收率,还要求DBR 的反射率在泵浦光波长附近也较高。最典型的 DBR 由 1/4 波长厚的高反射率与低反射率材料交替组成。一般短波长采用 AlGaAs/GaAs,长波长采用 InGaAsP/InP 或AlAsSb/GaSb。DBR 的选择要依照增益量子阱材料而定, 它们对激光的吸收很小而且要与衬底材料晶格匹配。有些设计中, 在量子阱有源区的上部也有 DBR 层, 使芯片本身形成谐振腔。一般地, 还会在芯片表面覆盖防氧化层以保护材料表面。芯片生长完成后将衬底剥离, 粘接固定到散热装置上。泵浦光以一定角度入射到芯片上, 就可以产生垂直于芯片表面的圆对称激
10、光输出。合理设计量子阱芯片, 优化腔结构, 可以得到高功率、良好光束质量的激光输出。光泵 VECSELs 在红、绿、蓝激光领域的研究现状紫外以及蓝光波段随着新兴的 GaN 系列材料的进一步研究 , 直接得到良好光束质量的紫外以及蓝光 OPS-VECSEL 已经在研究中。GaN 系列 VCSEL 的主要难点是对短波长高反射率 DBR 的生长、合适的泵浦源以及腔结构的设计, 目前, 从事 GaN-VCSEL 研究的有日本东京大学的Someya 小组：图 10. Schematic diagram of the frequency-doubled VECSEL cavityBRF is a bire
11、fringent filter, BBO is the beta-barium borate crystaland mirrors M1, M2, and M3 were coated for high reflectivity at 674 nmand had radius of curvature of 100 mmM2 and M3 had high transmission at 337 nm.美国 Y.K.Song 小组：图 11. Basic setup for an optically-pumped semiconductor disk laser以及韩国 Si Hyun Par
12、k 小组。由于 HfO2 的折射率很高 , 可以采用 SiO2/HfO2 做成蓝光高反的 DBR。2006 年,Si Hyun Park 小组将蓝宝石的一面做成微透镜, 形成微腔, 并采用脉宽5ns,重复频率 20Hz 的 355nm 泵浦光。红光波段芬兰和英国的研究人员对这一波段进行了研究5,并得到目前功率最高的红光 OPS-VECSEL。2005 年，得到接近理想光束 (M2=1.05)、最高功率 390mW 的 674nm 激光输出, 并可以实现 10nm 范围调谐。 2006 年，采用相似的技术将 OPS-VECSEL 做成 31 列阵。532nm 的泵浦光首先通过衍射光学元件被分成三
13、束再入射到芯片上, 激射出三束 675nm 红光。用空间光调制器件代替衍射光学元件, 泵浦光从线阵发展成面阵, 可以通过计算机控制空间光调制器件对泵浦光进行调制, 从而控制 OPS-VECSEL 输出阵列。这种技术可以应用于原子光学、芯片生物系统等领域, 实现对单个光束的精密控制以及光镊等。同年 8 月, 他们又成功地得到 1.1W 的 675nm 激光输出(532nm 泵浦功率 7W),为目前报道的最高功率连续输出的红光 OPS-VECSEL。近红外波段由于 VECSEL 产生的光束质量好 , 可以直接用于倍频, 在外腔或延长腔中插入非线性晶体后, 通过倍频或其他非线性光学过程可以产生短波段
14、激光输出。同时, 光泵浦 VECSEL 和电泵 VECSEL 相比, 功率的提高不再受电流分布和电阻热效应的影响, 合理设计系统, 提高斜率效率, 并且采用研究比较成熟的高功率泵浦光源, 就可以得到较高的基频光功率及倍频光输出。980nm 左右的 OPS-VECSEL 研究较多, 这个波段的基频光由于倍频后可以得到490 nm 左右的蓝光 , 是得到高功率良好光束质量蓝光的一种有效方法, 因此受到了广泛的关注。2003 年, 德国的 Brick 和 Lutgen 等人得到了 8W 的 1000nm 输出。他们通过使用外延生长晶体和有源区散热方法提高了 OPS-VECSEL 性能, 并且详细分析
15、了泵浦光斑大小对其输出特性的影响。2004 年, 美国相干公司 Chilla 等人研制的 OPS-VECSEL 阵列, 800nm 左右二极管阵列泵浦功率 70W 时分别得到了 30W，980 nm 和 19W，920nm 的连续输出。美国的 Li Fan 等人对 980nm OPS-VECSEL 也进行了系统的研究, 通过倍频产生高功率的蓝光, 同时有一定的波长调节范围。2006 年 1 月, 韩国三星的 Kim 等实现了很高的室温光光转换效率(44%) , 并得到 10W 的 1060nm 激光输出。他们描述、分析了芯片质量(包括生长温度、失配度、量子阱数)对激光器性能的影响。图 12.
16、Schematic representation of the VECSEL cavityRoC: radius of curvature; OC: output coupler光泵 VECSELs 的倍频技术由于 OPS-VECSEL 光束质量好, 可以在光路中插入 BBO、LBO、BIBO、PPKTP 等非线性晶体, 进行直接倍频, 从而得到更短波长的激光输出, 进一步扩展波长范围。特别是在 1m 附近, 倍频高功率基频光, 是得到高功率且良好光束质量的蓝绿光的一种良好途径。由相干公司制作的目前最大功率输出的光泵 VCSEL, 利用 LBO 晶体 I 类相位匹配倍频后, 分别得到 15W，
17、488nm 和 5W，460nm 的连续输出, 也是目前报道的蓝光最高输出功率。2005 年, 德国 Lutgen 小组在先前工作的基础上,在腔内插入 4mm 长 BIBO 晶体, 1040nm 基频光倍频后得到 520nm 绿光 ,808nm 泵浦光功率为 7W 时得到最大输出 0.7W 的 520nm 激光。美国 Li Fan 等人还实现了 980nm OPS-VECSEL 的直接倍频及可调谐。2006 年,他们利用40W 的 808nm 二极管激光器泵浦 980nm 基频光, 再通过 LBO 晶体倍频得到大于 1.3W 的490nm 激光, 倍频效率为 1.3%, 并且实现了最大 20n
18、m 的波长调谐范围。芯片的有源区是14 个 InGaAs 量子阱, 势垒层为 GaAsP, DBR 是 25 对 Al0.2Ga0.8As/AlAs, 其反射率 R99.5%,芯片表面镀增透膜。实验光路采用 Z 型腔, 折叠角度尽量小, 以减小输出镜在切向和纵向不同焦距对基频和倍频光产生的不对称。二极管激光器产生的多模 808nm 泵浦光从光纤输出后经过透镜聚焦照射到芯片上。光路中, 以布儒斯特角插入了一块双折射滤波片(BF), 它可以选择控制基频光的偏振方向, 同时选择基模波长, 使其带宽变窄, 有利于提高倍频效率。在此基础上, 他们还将两束光通过体布拉格光栅衍射作用合成到一起, 效率达到
19、90%, 这样可以获得更大功率的输出, 且光束质量不会受到很大影响。韩国三星的 Kim 等研究人员也得到了瓦级输出功率的蓝光。2006 年 3 月, 泵浦功率 20W 时, 他们得到 4.9W 的 920nm 连续输出, 插入 LBO 晶体后得到 2W 的 460nm 蓝光连续输出。VCSEL 用于激光显示2005 年, 美国相干公司研制的可商用化的 RGB 激光器, 其中蓝光(460 nm)和绿光(530 nm)就是利用 OPS-VECSEL 腔内倍频后得到的, 红光(638nm)则由商用二极管激光器提供。蓝光和绿光的产生都采用相类似的方法。蓝光的芯片与相干公司早先的报道高功率 OPS-VE
20、CSEL 一样, 绿光的芯片对量子阱宽度、位置等作了相应的调整。他们采用 V 型腔, 一腔臂上放置双折射滤波片, 另一腔臂上放置 LBO 倍频晶体 , 输出镜对于倍频光透过, 对于基频光高反。当电流为 38A(此时泵浦功率 30W), 蓝光输出功率 4.5W, 绿光输出功率 6.5W, M2 为 24。这种 RGB 激光器紧凑精巧、光路简单、可批量生产，能够满足商用需求。实现高功率 OPS-VECSEL 所面临的问题(1)散热问题散热问题是实现高功率 OPS-VECSEL 面临的关键问题。温度的升高主要在以下几个方面影响 OPS-VECSEL 的性能: 首先, 由于温度提高引起热载流子泄漏和非
21、辐射结合过程而影响增益; 其次, 温度提高会改变介质折射率, 使得 DBR 性能改变; 另外, 半导体材料的禁带宽度也随着温度的提高向长波长漂移,量子阱所在位置会偏离波节处, OPS-VECSEL 的输出波长、功率以及转换效率等将受到很大影响。目前主要采用两种方法解决散热问题: 薄片结构和热散。薄片结构是指利用化学腐蚀等方法剥离衬底, 从而减小增益结构和热沉间距离, 使热量更快传散出去。由美国相干公司研制的最高功率输出的 OPS-VECSEL 就采用这种技术。除了从增益结构底部散发热量外, 还可以在其顶部加入热散, 更好地解决散热问题。使用不同的散热材料, 也可改善散热情况, 目前报道的散热材
22、料主要有蓝宝石、硅、碳化硅和金刚石。还有一种很有效的方法可以从根本上减少系统产生的热量, 这就是量子阱内泵浦 OPS-VECSEL。一般地, 泵浦光在势垒层被吸收 , 泵浦光与输出光光子能量相差较多, 其微分量子效率不是很高, 并且由于量子亏损, 即泵浦光子能量与输出光光子能量之差, 通过热的形式散发出来, 使得产生了多余的热量。如果能够选择与输出光波长相近的泵浦光就能够大大地提高微分量子效率, 同时从根本上减少系统产生的热量, 2004 年,Marc 等人提出了这一思想并做了一定的研究。阱内泵浦的优点除了提高微分量子效率, 减少热量外, 由于势垒层对于泵浦光是透射的, 泵浦光只在量子阱层被吸
23、收, 因此可以增加量子阱数目来提高泵浦光的吸收率。由于单个量子阱层很薄, 单次吸收效率约 1%, 在设计上与势垒层泵浦不同的是, 阱内泵浦 OPS-VECSEL 的 DBR 对于泵浦光和出射光都要高反。2006 年, Marc 的小组在室温下利用 30W 的 806nm 泵浦光得到 1W 的 850nm 激光输出。(2)腔设计(V、Z、I)合理设计腔型, 选择最佳腔长、输出镜曲率半径、透射率、晶体放置位置等, 可以提高OPS-VECSEL 性能,并使其结构紧凑, 使用方便, 有利于应用。如前面提到的, 采用 V 型腔, 结构简单; 采用 Z 型折叠腔, 适于插入倍频晶体、滤波片, 设计时要控制折叠角度在一定小角度范围内; 最为理想的是 I 型腔, 泵浦光从芯片底部入射, 芯片上表面对于泵浦光高反, 泵浦光可以在腔内多次往返, 增加利用率, 这样的结构更加简单紧凑。（中科院半导体所全固态光源实验室孙陆）
