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Láser de emisión superficial de cavidad vertical

Diagrama de una estructura VCSEL simple El láser de emisión superficial de cavidad vertical ( VCSEL / ˈ v ɪ k s əl / ) es un tipo de diodo láser semiconductor con emisión de haz...

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Diagrama de una estructura VCSEL simple

El láser de emisión superficial de cavidad vertical ( VCSEL / ˈ v ɪ k s əl / ) es un tipo de diodo láser semiconductor con emisión de haz láser perpendicular a la superficie superior, a diferencia de los láseres semiconductores de emisión lateral convencionales (también llamados láseres en el plano ) que emiten desde superficies formadas al separar el chip individual de una oblea . Los VCSEL se utilizan en diversos productos láser, como ratones de ordenador , comunicaciones por fibra óptica , impresoras láser , Face ID [ 1 ] y gafas inteligentes [ 2 ] .

Ventajas de producción

La producción de VCSEL presenta varias ventajas en comparación con el proceso de producción de láseres de emisión lateral. Los emisores laterales no se pueden probar hasta el final del proceso de producción. Si un emisor lateral no funciona correctamente, ya sea por malos contactos o por una calidad deficiente del crecimiento del material, se desperdician el tiempo de producción y los materiales de procesamiento. En cambio, los VCSEL se pueden probar en varias etapas del proceso para verificar la calidad del material y los problemas de procesamiento. Por ejemplo, si las vías , que son las conexiones eléctricas entre las capas de un circuito, no se han limpiado completamente del material dieléctrico durante el grabado, una prueba intermedia indicará que la capa metálica superior no está haciendo contacto con la capa metálica inicial. Además, dado que los VCSEL emiten el haz perpendicularmente a la región activa del láser, en lugar de paralelamente como en un emisor lateral, se pueden procesar decenas de miles de VCSEL simultáneamente en una oblea de arseniuro de galio de tres pulgadas . Por lo tanto, aunque el proceso de producción de VCSEL requiere más mano de obra y materiales, el rendimiento se puede controlar para obtener un resultado más predecible y superior. [ 3 ]

Estructura

Estructura realista de un dispositivo VCSEL. Se trata de un VCSEL de pozos cuánticos múltiples con emisión inferior .

El resonador láser consta de dos espejos reflectores de Bragg distribuidos (DBR) paralelos a la superficie de la oblea, con una región activa entre ellos formada por uno o más pozos cuánticos para la generación de luz láser. Los espejos DBR planares constan de capas con índices de refracción altos y bajos alternados. Cada capa tiene un espesor equivalente a un cuarto de la longitud de onda del láser en el material, lo que resulta en reflectividades de intensidad superiores al 99 %. En los VCSEL se requieren espejos de alta reflectividad para compensar la corta longitud axial de la región de ganancia.

En los VCSEL convencionales, los espejos superior e inferior están dopados con materiales de tipo p y tipo n , respectivamente , formando una unión de diodo . En estructuras más complejas, las regiones de tipo p y tipo n pueden estar integradas entre los espejos, lo que requiere un proceso de semiconductores más complejo para establecer contacto eléctrico con la región activa, pero elimina la pérdida de potencia eléctrica en la estructura DBR.

En las investigaciones de laboratorio de VCSEL que utilizan nuevos sistemas de materiales, la región activa puede ser excitada por una fuente de luz externa de menor longitud de onda , generalmente otro láser. Esto permite demostrar el funcionamiento de un VCSEL sin el problema adicional de lograr un buen rendimiento eléctrico; sin embargo, estos dispositivos no son prácticos para la mayoría de las aplicaciones.

Los VCSEL para longitudes de onda de 650  nm a 1300  nm se basan típicamente en obleas de arseniuro de galio (GaAs) con DBR formados a partir de GaAs y arseniuro de galio y aluminio (Al x Ga (1− x ) As). El sistema GaAs–AlGaAs es el preferido para la construcción de VCSEL porque la constante de red del material no varía mucho al cambiar la composición, lo que permite cultivar múltiples capas epitaxiales "adaptadas a la red" sobre un sustrato de GaAs. Sin embargo, el índice de refracción del AlGaAs sí varía relativamente mucho al aumentar la fracción de Al, lo que minimiza el número de capas necesarias para formar un espejo de Bragg eficiente en comparación con otros sistemas de materiales candidatos. Además, a altas concentraciones de aluminio, se puede formar un óxido a partir de AlGaAs, y este óxido se puede utilizar para limitar la corriente en un VCSEL, lo que permite corrientes umbral muy bajas.

Los principales métodos para restringir la corriente en un VCSEL se caracterizan por dos tipos: VCSEL implantados con iones y VCSEL de óxido.

A principios de la década de 1990, las empresas de telecomunicaciones tendían a favorecer los VCSEL implantados con iones. Los iones (a menudo iones de hidrógeno, H+) se implantaban en la estructura del VCSEL en todas partes excepto en la apertura, destruyendo la estructura reticular alrededor de la apertura e inhibiendo así la corriente. Entre mediados y finales de la década de 1990, las empresas se decantaron por la tecnología de los VCSEL de óxido. En un VCSEL de óxido, la corriente se confina mediante la oxidación del material alrededor de la apertura. La capa que se oxida es una capa de aluminio con alto contenido que crece dentro de la estructura del VCSEL. Los VCSEL de óxido también suelen emplear el proceso de implantación iónica. Como resultado, en el VCSEL de óxido, la trayectoria de la corriente queda confinada por la implantación iónica y la apertura de óxido.

La aceptación inicial de los VCSEL de óxido estuvo plagada de preocupaciones sobre la posibilidad de que las aperturas se desprendieran debido a la tensión y los defectos de la capa de oxidación. Sin embargo, después de muchas pruebas, la fiabilidad de la estructura ha demostrado ser robusta. Como se afirma en un estudio de Hewlett Packard sobre los VCSEL de óxido, "los resultados de la tensión muestran que la energía de activación y la vida útil de desgaste de los VCSEL de óxido son similares a las de los VCSEL de implante que emiten la misma cantidad de potencia de salida". [ 4 ] La industria también tuvo problemas de producción al pasar los VCSEL de óxido de la investigación y el desarrollo a la producción. La tasa de oxidación de la capa de óxido dependía en gran medida del contenido de aluminio. Cualquier ligera variación en el aluminio cambiaba la tasa de oxidación, lo que a veces resultaba en aperturas demasiado grandes o demasiado pequeñas para cumplir con los estándares de especificación.

Se han desarrollado dispositivos de longitud de onda más larga, de 1300  nm a 2000 nm, con al menos la región activa fabricada con fosfuro de indio . Los VCSEL de longitudes de onda aún mayores son experimentales y generalmente se bombean ópticamente. Los VCSEL de 1310 nm son deseables, ya que la dispersión de la fibra óptica de sílice es mínima en este rango de longitud de onda.  

Formularios especiales

Dispositivos de región activa múltiple (también conocidos como VCSEL bipolares en cascada)
Permite obtener valores de eficiencia cuántica diferencial superiores al 100% mediante el reciclaje de portadores.
VCSEL con uniones de túnel
Utilizando una unión de túnel (n + p + ), se puede construir una configuración de pines nn + p + eléctricamente ventajosa que también puede influir beneficiosamente en otros elementos estructurales (por ejemplo, en forma de una unión de túnel enterrada (BTJ)).
VCSELs sintonizables con espejos micromecánicamente móviles ( MEMS )
(ya sea bombeado ópticamente [ 5 ] o eléctricamente [ 6 ] [ 7 ] )
VCSEL con unión o fusión de obleas
Combinación de materiales semiconductores que se pueden fabricar utilizando diferentes tipos de obleas de sustrato [ 8 ]
VCSELs bombeados ópticamente de forma monolítica
Dos VCSEL superpuestos. Uno de ellos bombea ópticamente al otro.
VCSEL con diodo de monitorización integrado longitudinalmente
Un fotodiodo está integrado bajo el espejo posterior del VCSEL. VCSEL con diodo de monitorización integrado transversalmente: Mediante un grabado adecuado de la oblea del VCSEL, se puede fabricar un fotodiodo resonante que puede medir la intensidad de la luz de un VCSEL vecino.
VCSEL con cavidades externas (VECSEL)
Los VECSEL se bombean ópticamente con diodos láser convencionales. Esta configuración permite bombear una mayor área del dispositivo y, por lo tanto, extraer más potencia, hasta 30  W. La cavidad externa también permite técnicas intracavitarias como la duplicación de frecuencia, el funcionamiento a frecuencia única y el bloqueo de modos con pulsos de femtosegundos.
Amplificadores ópticos semiconductores de cavidad vertical
Los VCSOA se optimizan como amplificadores, en lugar de osciladores. Deben operar por debajo del umbral, por lo que requieren reflectividades de espejo reducidas para disminuir la retroalimentación. Para maximizar la ganancia de la señal, estos dispositivos contienen un gran número de pozos cuánticos (se han demostrado dispositivos con bombeo óptico con 21 a 28 pozos) y, como resultado, presentan valores de ganancia de paso único significativamente mayores que los de un VCSEL típico (aproximadamente un 5%). Estas estructuras funcionan como amplificadores de ancho de línea estrecho (decenas de GHz) y pueden implementarse como filtros amplificadores.

Características

Debido a que los VCSEL emiten luz desde la superficie superior del chip, se pueden probar directamente en la oblea antes de separarlos en dispositivos individuales. Esto reduce el costo de fabricación de los dispositivos y permite construir VCSEL no solo en matrices unidimensionales, sino también bidimensionales .

La mayor apertura de salida de los VCSEL, en comparación con la mayoría de los láseres de emisión lateral, produce un ángulo de divergencia menor del haz de salida y posibilita una alta eficiencia de acoplamiento con fibras ópticas.

La pequeña región activa, en comparación con los láseres de emisión lateral, reduce la corriente umbral de los VCSEL, lo que resulta en un bajo consumo de energía. Sin embargo, hasta el momento, los VCSEL tienen una potencia de emisión menor que los láseres de emisión lateral. La baja corriente umbral también permite anchos de banda de modulación intrínsecos elevados en los VCSEL. [ 9 ]

La longitud de onda de los VCSEL se puede ajustar, dentro de la banda de ganancia de la región activa, modificando el grosor de las capas reflectoras.

Si bien los primeros VCSEL emitían en múltiples modos longitudinales o en modos de filamento, actualmente son comunes los VCSEL monomodo.

VCSEL de alta potencia

También se pueden fabricar láseres de emisión superficial de cavidad vertical de alta potencia, ya sea aumentando el tamaño de la apertura de emisión de un solo dispositivo o combinando varios elementos en grandes matrices bidimensionales (2D). Se han publicado relativamente pocos estudios sobre VCSEL de alta potencia. Los  primeros dispositivos individuales de gran apertura que operaban alrededor de 100 mW se publicaron en 1993. [ 10 ] Las mejoras en el crecimiento epitaxial, el procesamiento, el diseño del dispositivo y el encapsulado llevaron a que los VCSEL individuales de gran apertura emitieran varios cientos de milivatios en 1998. [ 11 ] También se publicó en 1998 un informe sobre el funcionamiento en onda continua (CW) de más de 2  W a una temperatura del disipador de calor de -10 grados Celsius de una matriz de VCSEL compuesta por 1000 elementos, lo que corresponde a una densidad de potencia de 30  W/cm 2 . [ 12 ] En 2001, se reportó  una potencia CW de más de 1 W y una potencia pulsada de 10 W a temperatura ambiente a partir de una matriz de 19 elementos. [ 13 ] El chip de la matriz VCSEL se montó en un disipador de calor de diamante , aprovechando la muy alta conductividad térmica del diamante . En 2005 se reportó una potencia de salida CW récord de 3 W a partir de dispositivos individuales de gran diámetro que emitían alrededor de 980 nm. [ 14 ]   

 En 2007, se reportó una potencia de salida continua (CW) superior a 200 W en una matriz VCSEL 2D de gran tamaño (5  × 5 mm) que emitía alrededor de la longitud de onda de 976 nm, [ 15 ] lo que representó un avance sustancial en el campo de los VCSEL de alta potencia. El alto nivel de potencia alcanzado se debió principalmente a mejoras en la eficiencia de conversión de energía y el encapsulado. En 2009, se reportaron niveles de potencia superiores a 100 W para matrices VCSEL que emitían alrededor de 808 nm. [ 16 ]    

En ese momento, la tecnología VCSEL se volvió útil para diversas aplicaciones médicas, industriales y militares que requerían alta potencia o alta energía. Algunos ejemplos de dichas aplicaciones son:

Aplicaciones

  • Transmisión de datos por fibra óptica
  • Transmisión de señales analógicas de banda ancha
  • Espectroscopia de absorción ( TDLAS )
  • Impresoras láser
  • ratón de ordenador
  • Análisis de tejidos biológicos
  • Reloj atómico a escala de chip
  • LiDAR para cámaras de teléfonos móviles
  • Luz estructurada (por ejemplo, el "proyector de puntos" para Face ID del iPhone )
  • Sistema LiDAR para la prevención de colisiones automovilísticas

Historia

La emisión superficial de un semiconductor masivo a temperatura ultrabaja y confinamiento de portadores magnéticos fue reportada por Ivars Melngailis en 1965. [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] La primera propuesta de VCSEL de cavidad corta fue realizada por Kenichi Iga del Instituto Tecnológico de Tokio en 1977. [ 21 ] Un dibujo simple de su idea se muestra en su nota de investigación. A diferencia de los láseres semiconductores de emisión de borde Fabry-Perot convencionales, su invención comprende una cavidad láser corta de menos de 1/10 de los láseres de emisión de borde perpendiculares a la superficie de una oblea. En 1979, Soda, Iga, Kitahara y Suematsu realizaron la primera demostración de un VCSEL de cavidad corta , [ 22 ] pero no se informaron dispositivos para operación CW a temperatura ambiente hasta 1988. [ 23 ] El término VCSEL fue acuñado en una publicación de la Optical Society of America en 1987. [ 24 ] En 1989, Jack Jewell lideró una colaboración de Bell Labs/Bellcore (que incluía a Axel Scherer , Sam McCall, Yong Hee Lee y James Harbison) que demostró más de 1 millón de VCSEL en un pequeño chip. [ 25 ] [ 26 ] Estos primeros VCSEL totalmente semiconductores introdujeron otras características de diseño que todavía se utilizan en todos los VCSEL comerciales. "Esta demostración marcó un punto de inflexión en el desarrollo del láser de emisión superficial. Varios grupos de investigación más entraron en el campo, y pronto se informaron muchas innovaciones importantes de todo el mundo". [ 27 ] Andrew Yang de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) rápidamente inició una financiación significativa para la I+D de VCSEL, seguida de otros esfuerzos de financiación gubernamentales e industriales. [ 27 ] Los VCSEL reemplazaron a los láseres de emisión lateral en aplicaciones para comunicación por fibra óptica de corto alcance, como Gigabit Ethernet y Fibre Channel , y ahora se utilizan para anchos de banda de enlace de 1 a 400 gigabits por segundo o más.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Extance, Andy (9 de abril de 2018). "Los rostros se iluminan ante las perspectivas de VCSEL" . SPIE .
  2. ↑ Bohn, Dieter (5 de febrero de 2018). "Intel creó gafas inteligentes que parecen normales" . The Verge .
  3. ↑ SEO_INPHENIX (24-09-2021). "Introducción a VCSEL: Principios de funcionamiento y características" . INPHENIX . Consultado el 21-12-2023 .
  4. ↑ Lei, C.; Deng, H.; Dudley, JJ; Lim, SF; Liang, B.; Tashima, M.; Herrick, RW (1999). "Fabricación de VCSEL de óxido en Hewlett Packard". Resumen de 1999 de las Reuniones Temáticas de Verano de LEOS: Nanoestructuras y Puntos Cuánticos/Componentes WDM/VCSEL y Microcavidades/Fotónica de RF para Sistemas CATV y HFC (Cat. No. 99TH8455) . IEEE Photonics Society . págs. III11– III12. doi : 10.1109/LEOSST.1999.794691 . ISBN  0-7803-5633-0. S2CID 39634122 . Archivado del original el 10 de noviembre de 2016 . Recuperado el 3 de junio de 2021 . 
  5. ↑ V. Jayaraman, J. Jiang, B. Potsaid, G. Cole, J. Fujimoto y Alex Cable "Diseño y rendimiento de VCSEL de 1310 nm ampliamente sintonizables, de ancho de línea estrecho y alta tasa de repetición para tomografía de coherencia óptica de fuente barrida", SPIE volumen 8276 artículo 82760D, 2012
  6. ↑ C. Gierl, T. Gruendl, P. Debernardi, K. Zogal, C. Grasse, H. Davani, G. Böhm, S. Jatta, F. Küppers, P. Meißner y M. Amann, «VCSEL sintonizable de 1,55 μm micromecanizado en superficie con sintonización monomodo continua de 102 nm», Opt. Express 19, 17336-17343, 2011
  7. ↑ DD John, C. Burgner, B. Potsaid, M. Robertson, B. Lee, WJ Choi, A. Cable, J. Fujimoto y V. Jayaraman, "VCSEL sintonizable MEMS de 1050 nm con bombeo eléctrico de banda ancha para imágenes oftálmicas", Jnl. Lightwave Tech., vol. 33, n.º 16, págs. 3461 - 3468, febrero de 2015.
  8. ↑ V. Jayaraman, GD Cole, M. Robertson, A. Uddin y A. Cable, "MEMS-VCSEL de 1310 nm de alta velocidad de barrido con un rango de sintonización continua de 150 nm", Electronics Letters, vol. 48, n.º 14, págs. 867–869, 2012.
  9. ↑ Iga, Kenichi (2000). "Láser de emisión superficial: su nacimiento y la generación de un nuevo campo de la optoelectrónica". IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics . 6 (6): 1201– 1215. Bibcode : 2000IJSTQ...6.1201I . doi : 10.1109/2944.902168 . S2CID 10550809 . 
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  • Láseres de emisión superficial de longitud de onda larga: Introducción. Archivado el 19 de julio de 2011 en Wayback Machine.
  • Guía de Britney sobre física de semiconductores: VCSELs
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