一文揭晓激光真的有这么神奇吗?

看过科幻片的朋友,一定忘不了星球大战里的激光武器吧!绝地武士们手持光剑用力一挥,任何坚硬的金属都会应声而断,在电影生化危机中,网状的激光光束向特种部队迎面而来,只见一个人瞬间被切成一块块的「人排」,听起来有点恶心,到底什么是激光呢?激光真的有这么神奇吗?

  形成“激光”,先完成两个重要步骤 

「激光(Laser)」是「Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation」的缩写,意思是「利用激励放射来增加光的强度」,所谓的「激励放射」其实就是完成两个重要的步骤,第一个是「能量激发(Pumping)」,第二个是「共振放大(Resonance)」:

>>>能量激发(Pumping)

固体激光(大多使用光激发光)属于「原子发光」,前面曾经介绍过原子发光的原理为,外加能量(光能或电能)激发掺杂原子的电子由内层能级跳到外层能级,当电子由外层能级跳回内层能级时,将能量以光能的型式释放出来,如图二(a)所示。半导体激光(大多使用电激发光)则是属于「半导体发光」,前面曾经介绍过半导体发光的原理为:外加能量(光能或电能)激发半导体的电子由价带跳到导带,当电子由导带跳回价带时,将能量以光能的型式释放出来,如图二(b)所示。

要发出激光,受激辐射是最基本的条件,如图二(c)所示,能量激发有「光激发光(PL)」或「电激发光(EL)」二种方式,不论使用那一种方式都可以产生激光,光激发光(PL)是外加光能使电子跳跃;电激发光(EL)则是外加电能使电子跳跃,将在后面详细介绍。



图二 能量激发的原理。

>>>谐振放大(Resonance)

在发光区外加一对「谐振腔(Cavity)」,谐振腔其实可以使用一对镜子组成,如图三所示,使光束在左右两片镜子之间来回反射,不停地通过发光区吸收光能,最后产生谐振效应,使光的能量放大。

光激发光(PL:Photoluminescence)
我们以「钛蓝宝石激光(Ti Sapphire laser)」为例,先在蓝宝石内掺杂钛原子得到钛蓝宝石晶体,在晶体四周放置许多高亮度的光源(发出某一种波长的光)对着晶体照射,当晶体吸收光能产生「能量激发(Pumping)」,则会发出另外一种波长(颜色)的光。发射出来的光经由左右两个反射镜来回反射产生「谐振放大(Resonance)」,由于右方的反射镜设计可以穿透5%的光,所以高能量的激光就会由右方穿透射出,如图三(a)所示。

电激发光(EL:Electroluminescence)我们以「砷化镓激光二极管(GaAs laser diode)」为例,先在砷化镓激光二极管芯片(大约只有一粒砂子的大小)上下各蒸镀一层金属电极,对着芯片施加电压,当芯片吸收电能产生「能量激发(Pumping)」,则会发出某一种波长(颜色)的光。发射出来的光经由左右两个晶体镜面反射镜来回反射产生「谐振放大(Resonance)」,由于右方的反射镜设计可以穿透5%的光,所以高能量的激光光束就会由右方穿透射出,如图三(b)所示。



图三 激光产生的原理。

  哪一种激光最深刻影响我们的生活? 

激光的种类可以分为:气体激光、液体激光、固体激光与半导体激光,严格来说,半导体激光也是固体激光的一种,但是由于目前商业上半导体激光的使用量很大,例如:光学读取头、光通讯光源、激光指示器等,所以激光已经深刻影响着我们的生活,而激光二极管又可以分为边射型激光与面射型激光,这次参加2017年VCSELs(面射型激光)创新技术与应用研讨会的主题就是面射型激光。在进入主题前,我还是恢复我的风格,用科普式的语言说起!

>>>激光二极管(LD:Laser Diode)

1、激光二极管的定义

前面介绍的四种激光,只有半导体激光的体积最小,成本最低,而且只需要外加一颗小小的电池就可以使用,因此可以广泛地应用在各种电子产品中 。

2、激光二极管的种类

激光二极管(LD)的构造如图四(a)所示,外观呈圆柱形,通常会依照封装的不同而有不同的形状,但是真正发光的部分只有「芯片(Die)」而已,芯片的尺寸与海边的一粒砂子差不多,这么小的一个芯片就可以发出很强的光,由于激光二极管的芯片很小,所以一片两吋的砷化镓晶圆就可以制作数千个芯片,切割以后再封装,形成如图四(b)的外观,激光二极管的制程与硅晶圆的制程相似,都是利用黄光微影、掺杂技术、蚀刻技术、薄膜成长制作。



图四 边射型激光二极管LD的外观与构造。

激光二极管有很多的应用,我在去年八月第一篇行家说文章已经介绍了激光的显示与照明两个用途,并且分析了这两个用途的前景尤其是氮化镓绿光激光成功之后可能的激光电视与激光投影前景。而激光照明的应用也特别介绍了激光用在汽车照明的未来。(标题:激光会是下一代照明与显示的主角吗?)今天这两项应用也得到了诺贝尔物理奖中村修二教授的鼓吹,相信大家都已经有了比较轮廓式的了解。

今天我会把主题放在原理与工艺跟LED比较相近的面射型激光VCSEL的介绍,也许大家会比较陌生,但是认识这项技术与它的应用前景对从事光电行业的人会有很大的帮助,当然我在台湾参加2017年VCSELs(面射型激光)创新技术与应用研讨会之后,在我的微信朋友圈承诺要带一些干货给广大的读者,现在就给大家分享分享这个激光新技术与未来它的无限前景!



(Kenichi Iga教授是VCSEL的首次提出者)

  面射型激光最初应用的光通信产业是怎么回事? 

由于面射型激光VCSEL最初的应用是光通信产业,所以当然首先要介绍光通信产业。

首先帮大家初浅的介绍光通信(Optocommunication industry)产业,激光是光通信的主角之一,其实光通信是一个很庞大的产业,光通信产业大概可以分为「光的主动组件」与「光的被动组件」两大类产业,其中主动组件的复杂度较高,被动组件比较简单,但是某些被动组件仍然有其复杂度,如果没有一定的技术能力无法顺利量产,我们简单说明如下:

>>>光的主动组件

光的主动组件是指「负责光讯号的产生与接收的组件,与光电能量的转换有关」,产生光讯号通常是指将电能转换成光能;接收光讯号通常是指将光能转换成电能。由于一般数据的处理与运算都是使用计算机,计算机是使用电讯号处理数据,所以当我们要将数据传送到光纤网络时,必须先将电讯号转换成光讯号,如图五 所示,图中传送端「光发射模块(Transmitter)」的功能就是将电讯号转换成光讯号,我们可以想象成它是将电讯号的「0」与「1」转换成光讯号的「暗」与「亮」,光讯号在光纤中经过了数百公里的传送以后,到达接收端,这个时候必须将光讯号转换成电讯号,如图五所示,图中接收端「光接收模块(Receiver)」的功能就是将光讯号转换成电讯号,我们可以想象成它是将光讯号的「暗」与「亮」转换成电讯号的「0」与「1」,再交给计算机进行处理与运算,这就是整个光纤网络与计算机工作的基本原理。



图五 光纤网络与计算机工作的基本原理。

光的主动组件包括下列几种,此次主题是激光二极管,其它组件将会在未来开专题详细介绍:
♦ 激光二极管(LD):将电讯号转换成光讯号。
♦ 光放大器(Amplifier):放大光讯号。
♦ 光侦测器(Detector):将光讯号转换成电讯号。

>>>光的被动组件

光的被动组件是指「负责光讯号的传递与调变的组件,与光电能量的转换无关」。光的被动组件包括下列几种,未来我将会开专题详细介绍:
♦ 光纤(Fiber):传递光讯号。
♦ 光连接器(Connector):连接光纤。
♦ 光耦合器(Coupler):将二信道光讯号汇合成一信道。
♦ 光分离器(Splitter):将一信道光讯号分开成二信道。
♦ 光隔绝器(Isolator):阻止光讯号反射。
♦ 光衰减器(Attenuator):降低光讯号强度。
♦ 光交换器(Optical switch):改变光讯号前进方向。

♦ 光电调制器(Modulator):调变光讯号。

♦ 波长多任务器(WDM:Wavelength Division Multiplexing):将不同波长(不同颜色)的光同时送入一条光纤中传输。
♦ 初级波长多任务器(CWDM:Coarse WDM):将8种以下的波长(颜色)的光同时送入一条光纤中传输。
♦ 高密度波长多任务器(DWDM:Dense WDM):将16种以上的波长(颜色)的光同时送入一条光纤中传输,包括薄膜滤光片、数组波导光栅与光纤光栅等三种技术。

  面射型激光有哪些特殊工艺与LED区别较大? 

回到主题了,现在开始介绍激光二极管,激光二极管用波长来分类,应用会有很大的差别,目前可见光激光大部分应用在光储存光照明与光显示,红外光大部分用在光通信与光感应,为什么光通信大部分使用红外光激光呢?如图六(a)所示,由于光纤在红外波段的衰减最小,尤其是在1550nm波段,而1310nm波段虽然衰减没有1550nm小,但是因为在这个波段色散最小,如图六(b),所以1310nm波长的激光也常常用于中长距离光纤通讯用光源。而红外的850nm与980nm光源也被使用于较短距离的末端网络系统,由于用量大,要求低,所以也常常用红外LED代替激光。



图六 硅基光纤(SiO2)在不同发射光谱的衰减与色散示意图

色散的定义:光纤的输入端光脉冲信号经过长距离传输以后,在光纤输出端,光脉冲波形发生了时域上的展宽,这种现象即为色散。

由于宽带与大数据系统要求越来越多的数据传输,如图七所示,光通信的发光元器件又可以分类为LED,边射型与面射型激光二极管LD三种,图七为三种发器件的构造与原理,图七(a)的LED除了可以用于照明与显示以外,红外光LED也是早期常用的光通信末端器件,制造简单与价格比激光便宜是LED的优势。

图七(c)是VCSEL的结构图,VCSEL是垂直共振腔面射型激光(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)的简称,是一种半导体激光,其发光垂直于顶面射出, VCSEL芯片相比边射型激光二极管,工艺比较简单,如图七(b)所示,VCSEL与激光由边缘射出的边射型激光二极管有所不同。
激光真的有这么神奇吗?



图七 LED,边射型激光LD与面射型激光VCSEL三种发光器件的结构示意图

面射型激光二极管VCSEL与LED工艺很相近,但是两个特殊工艺与LED区别较大,一个是DBR反射层形成共振腔镜面的工艺技术,另一个就是限制电流的氧化技术。

>>>DBR反射镜技术

典型的VCSEL结构如图九所示,其发光区由多量子阱组成,发光区上下两边分别由多层四分之一波长厚的高低折射率交替的外延材料形成的DBR,相邻层之间的折射率差使每组迭层的Bragg波长附近的反射率达到极高(>99%)的水平,需要制作的高反射率反射镜的对数依据每对层的折射率而定,典型的量子阱数为1至4个,它们被置于共振腔驻波图形的最大处附近,以便获得最大的受激辐射效率而进行来回反射与震荡。出射光方向可以是顶部或衬底,这主要取决于衬底材料对所发出的激射光是否透明以及上下DBR究竟那一个取值更大一些。



图九 VCSEL的结构示意图

>>>电流限制技术

为了达到比LED更低的功耗,限制VCSEL中的电流,达到低闸值电流,可以达到器件低电流,高效率的目的。

如图十所示,有三种主要的方法来限制VCSEL中的电流,依照其特性分成三种:掩埋隧道结VCSEL,离子植入VCSEL和氧化型VCSEL。

图十(a)为第一种结构,掩埋隧道结VCSEL由于结构复杂,而且需要使用分子束外延MBE制造,量产困难,目前仅止于学术研究。在上世纪90年代前期,电子通讯公司较倾向于使用离子植入的VCSEL。如图十(b)所示,通常使用氢离子H+植入VCSEL结构中,除了共振腔以外,其它区域用离子植入破坏共振腔周围的晶格结构,使电流被限制,缺点是光限制效果不好。所以上世纪90年代中期以后,这些公司们纷纷进而使用氧化型VCSEL的技术。如图十(c)所示,氧化型VCSEL是利用VCSEL共振腔周围材料的氧化反应来限制电流,因此在氧化型VCSEL中,电流的路径就会被氧化共振腔所限制。



图十 三种不同的限制VCSEL电流的技术与结构示意图

目前业界主流技术已经大部分转至氧化型VCSEL结构器件,但是也产生了生产上的困难。要将AlAs砷化铝氧化成Al2O3氧化层的氧化率与铝的含量有非常大的关系。只要铝的含量有些微的变化,就会改变其氧化率而导致共振腔的规格会过大或过小于标准规格。

不过这个困难在这次论坛有了让人雀跃的好消息,法国的AET Technology公司设计了一台可以精密控制氧化速率的设备,适用于六寸芯片量产,精密控制氧化过程可以省去过去工程师用试错修正来调试参数,让VCSEL在批量生产良率跨入了一个里程碑。

  为什么说面射型激光商机无限? 

由于VCSEL是光从垂直于半导体衬底表面方向出射的一种半导体激光器,具有模式好、低闸值电流、稳定性好、寿命长、调制速率高、集成高、发散角小、耦合效率高、价格便宜等很多优点。因为在垂直于衬底的方向上可并行排列着多个激光器,所以非常适合应用在并行光传输以及并行光互连等领域,VCSEL可以用来在光纤网络中高速传输数据。

其相比传统电缆系统可以以更快的速度传输更大的数据量。速度达到每秒40G,是这一领域美国目前的最高速度纪录。由于其体积很小,这种VCSEL装置还拥有很高的能源效率,相比传统的电线要节能100倍。但与此同时其传输数据的精确性也非常高。

目前VCSEL以空前的速度成功地应用于单通道和并行光互联,以它很高的性能价格比,在宽带以太网、高速数据通信网中得到了大量的应用,因此VCSEL已经是大数据中心的互联最重要的传输器件。

同理未来物联网(IOT)、智慧屋(Smart House)的数据中心传输(Data Center Comm.)与感应端监控,VCSEL会是主角。而将来需要高速传输的 HDMI 、 HD TV、 USB 3.1 Type C 10G以上、Optical –Modem都需要VCSEL。

甚至虚拟实境VR、虚拟键盘VCSEL都会占据一席之地。



图十一 大数据中心与云计算数据库未来需要大量的数据传输,这里是google与face book的big data center

未来VCSEL的其它应用:传感器与数据传输是VCSEL的最大应用,如表一所示,VCSEL相比LED有更优越的性能,以我们常用的手机为例,由于智慧手机里的接近传感器,当你接电话脸靠近屏幕时,屏幕灯会熄灭,并自动锁屏,可以防止脸部误操作,当你脸离开时,屏幕灯会自动开启,并且自动解锁。 智能手机中大量使用LED式接近传感器,在手机接近面颊时关闭屏幕以免误操作。如果我们利用VCSEL激光传感器,可以做出更低功耗更精确距离检测的手机接近传感器。同理,未来很多需要传感器的设施与设备,VCSEL绝对会是最好的选择。



表一 850nm的LED与VCSEL的性能与特性比较表

未来如果VCSEL的性价比接近LED,加上VCSEL优越的性能,下列产品未来将是VCSEL的天下:
♦ 3C产品:近距离感测(Proximity Sensor, PS)、手势遥控(Gesture)、 3D Camera、激光自动对焦拍照(Laser Auto Focus, TOF)、无线耳机、虹膜辨识 (脸部辨识)。
♦ 自动化感应:空拍机降落侦测、自动扫地机、工业4.0 自动化感测、无人驾驶车、机器人。
♦ 安全保护:电梯安全装置、眼睛保护装置、 夜间监视器、汽车夜视功能。
♦ 光学触控面板: ATM、教学、中大型面板。

想象一下未来的机器人时代,所有的机器人需要大量的传感器,灵活的机器人更需要速度更快,耗能更低的传感器,VCSEL在未来的机器人时代将扮演非常重要的角色。

  交通大学蓝光GaN VCSEL的最新突破对面射型激光有什么影响? 

在会议期间,我与新竹交通大学教授讨论了他们实验室研发出的世界第一颗蓝光VCSEL到底未来会有什么应用,如图十二所示,氮化镓蓝光VCSEL初期技术突破确实可喜,但是制造蓝光VCSEL确实很困难,虽然蓝光VCSEL可以搭配塑料材料的光纤,对光纤成本可以大幅度的降低,尤其是未来大数据中心需要大量的光连接,如果蓝光VCSEL在工艺与成本可以突破,前景可期。



图十二 交通大学的蓝光VCSEL结构与数据图

目前交通大学已经不用复杂的外延工艺生长氮化铝/氮化镓的DBR结构制作蓝光VCSEL,他们的实验室团队变换思路采用剥离衬底的氮化镓薄膜结构,利用晶片贴合技术将氮化镓薄膜贴合氧化物DBR,新的蓝光VCSEL不论在光效上或制造成本与良率控制上都取得关键性的突破,蓝光VCSEL搭配塑料光纤,这样的前景值得期待,尤其是我们身处的物联网大数据云计算时代。

LED已经是一个很成熟的产业,激光LD与VCSEL应用正在起飞,对于未来,我们需要新思维,新技术来迎接光电的新时代,希望这篇文章可以让LED技术从业者改变你的想法,开创属于你们的辉煌时代。(本文作者:广东德力光电副总经理叶国光)




注:本文首发于行家说APP(hangjiatalk),LEDinside获得授权转载。谢绝任何未经许可的转载。文章仅代表作者个人观点,不代表本网站立场。

如需获取更多资讯,请关注LEDinside官网(www.ledinside.cn)或搜索微信公众账号(LEDinside)。

RSS RSS  print 打印  mail 分享  announcements 在线投稿
Share
【免责声明】
1、「LEDinside - 中国LED在线」包含的内容和信息是根据公开资料分析和演释,该公开资料,属可靠之来源搜集,但这些分析和信息并未经独立核实。本网站有权但无此义务,改善或更正在本网站的任何部分之错误或疏失。
2、任何在「LEDinside - 中国LED在线」上出现的信息(包括但不限于公司资料、资讯、研究报告、产品价格等),力求但不保证数据的准确性,均只作为参考,您须对您自主决定的行为负责。如有错漏,请以各公司官方网站公布为准。
【版权声明】
「LEDinside - 中国LED在线」所刊原创内容之著作权属于「LEDinside - 中国LED在线」网站所有,未经本站之同意或授权,任何人不得以任何形式重制、转载、散布、引用、变更、播送或出版该内容之全部或局部,亦不得有其他任何违反本站著作权之行为。
×