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高功率半导体激光器
强大的VCSEL阵列展现出色的热性能
材料来源:激光世界           录入时间:2010-7-22 15:56:48

作者:李曦编译,武汉富泰华创光电科技有限公司

高功率边发射半导体激光器广泛应用于工业、医疗以及国防等多个领域,也是固体激光器泵浦和光纤激光器泵浦的普遍选择。然而众所周知,在高功率密度下,边发射半导体激光器的发射腔面容易产生光学灾变性损坏(COD),这是导致高功率边发射半导体激光器性能下降的一个致命因素。[1] 相比之下,垂直腔面发射激光器(VCSEL)中则没有COD,因为其增益区是嵌入到外延结构中的,因此也不会暴露在外界环境中(见图1)。此外,在边发射半导体激光器中,与边发射结相连的光波导的面积相对较小,从而导致其比VCSEL具有更高的功率密度。通常,一个典型的边发射激光器的故障率(FIT率定义为每10亿个器件工作小时中所出现的故障数)为500或更高。[2]相比之下,VCSEL的FIT率为10或更小。[3][4]也就是说,一个使用VCSEL作泵浦源的系统,其使用寿命至少要比用边发射激光器作泵浦源长50倍。 

 

图1:在单个顶部发射VCSEL器件中,电流和模式禁闭是通过一个富含铝层的选择性氧化实现的,其输出光为圆形低发散光束,光束方向垂直于外延层(左图);而边发射激光器的输出光为椭圆形光束,光束方向与外延层平行(右图)。

“激活能量”EA,通常用来描述与某一特定技术相关的故障对温度的依赖性。这个参数是通过作为反转结温度的函数的一系列平均故障时间得出的。在边发射激光器中,因为COD诱发的故障对温度非常敏感,其典型的激活能量为0.45eV;而VCSEL器件因为不受COD的影响,其激活能量为0.7eV,几乎是边发射激光器的两倍。较高的激活能量意味着:如果只考虑温度对FIT的影响,那么工作在80 ℃高温条件下的VCSEL的可靠性,要比工作在40 ℃条件下的边发射激光器的可靠性高出400倍还多!许多VCSEL器件已经在80 ℃高温下运作了足够长的时间,其在性能方面并没有衰减的迹象。有人甚至让VCSEL器件工作在更高的温度下。[5] VCSEL器件在高温下可靠运作的能力是一个重要优势,这使其对冷却的需求大大降低。

利用这些优势,我们制造了大型高功率VCSEL阵列,并且在不使用制冷机(即使用冷却水或乙烯乙二醇等再循环冷却剂的一个制冷系统)的条件下运作。因为没有制冷设备,所以该VCSEL阵列的结构更加紧凑,总体效率也更高。

VCSEL阵列制造

为了实现高功率运作的VCSEL器件,我们制作了平行运作的单一器件的二维(2D)阵列。VCSEL器件的制造,与成熟的低成本硅集成电路平面处理类似。在VCSEL器件的制造中,反射镜和激活区沿着外延生长方向顺序堆叠。输出光的偏振方向与激活层垂直,并以圆形和低发散的光束从器件顶部(或底部)输出。接下来,VCSEL晶圆要进行刻蚀和金属镀膜步骤,以形成电接触。针对具体应用情况,电流和光发射的约束通常是通过对一个富含铝层进行选择性氧化、离子注入,或是二者兼施的方法来实现的。VCSEL器件可以设计成“顶部发射” (在epi/空气界面)或“底部发射”(通过透明基底),例如为实现更加有效的热沉而需要进行倒装焊的情况。

 经过加工后,晶圆便进入测试步骤。这个步骤要对每个芯片测试,看其是否合格。接下来是晶圆划片,最后是对芯片进行更高级别的封装(利用率非常高,一般在95%以上)或是报废。晶圆被切割成单一的芯片,或是由以平行方式有效连接的单一芯片构成的阵列。该阵列可以是线性的(一维)、长方形或正方形(2D)。此外,在一个VCSEL阵列中,单个芯片的位置是由照片光刻技术定义的,它可以对该芯片进行任意设计布局,放置位置可以精确到微米级。根据应用的不同,VCSEL二维阵列所包含的单芯片数量可以从几百个到几千个。

 由于VCSEL的谐振腔是由夹在两个分布布拉格反射镜(DBR)之间的一个波长级腔长构成,因此其输出光是单纵模的,输出波长具有固有的稳定性(约0.065nm/K),因而不需要额外的波长稳定装置或外部光学元件;而边发射激光器是需要波长稳定装置的。此外,由于半导体生长技术和封装技术的进步,从大型VCSEL二维阵列中发射的波长的一致性非常好,光谱宽度约为0.8nm。优异的波长稳定和极窄的谱线宽度,在介质吸收带较窄的泵浦应用中是非常有用的。

我们制造了面积为0.22cm2的VCSEL阵列,具有230W以上的连续输出功率,相应的功率密度超过1kW/cm2(图2)。我们还用3.5kW/cm2的更高功率密度展示了超过100W的准连续功率输出(输出光为脉冲,脉冲宽度为100us,占空比约10%)。这些功率值和功率密度均能与边发射激光器的相应指标相比较。        

 

 图2:随着连续波电流的增加,二维VCSEL阵列的功率、电压和转换效率曲线图。在电流为312A处,获得了230W的最高输出功率。VCSEL阵列芯片是用焊接和金属丝粘结到热沉上的(插图)。

 无制冷运作

我们制造的高功率VCSEL阵列,采用仅仅包含一个紧凑的散热器/风扇和水泵系统的冷却系统,该冷却系统与汽车中使用的冷却系统类似,只是体积要小很多。风扇/散热器对水进行冷却,而水通过水泵在一个微通道冷却器中实现循环,微通道冷却器作为VCSEL阵列基底下的热沉(图 3)。相比之下,边发射激光器叠阵是需要制冷器的,而且通常制冷器的体积要比VCSEL阵列中使用的散热器/水泵系统的体积要大得多。此外,边发射激光器结温的精确控制,也往往要求激射波长保持在某一特定的值。而VCSEL并不需要对结温进行精确控制,因为VCSEL中的波长温漂要比边发射激光器低5倍。

          

图3:在一个封装完好的高功率VCSEL阵列中,一个紧凑的散热器/风扇和小型水泵系统提供循欢冷却散热功能。在边发射激光器中使用的制冷器的体积,要远远大于VCSEL阵列(右上图)中使用的微通道冷却系统的体积。

 对使用制冷器和使用散热器/水泵系统的VCSEL阵列,我们分别测量了它们的输出功率和功率转换效率。测量结果表明,在相同的工作电流(50A)下,这两个VCSEL阵列的输出功率和转换效率基本相同(图4)。       

  

图4:在使用制冷器使温度保持在20℃、以及使用一个小型散热器/热泵系统(即无制冷运作)这两种不同的冷却机制下,高功率VCSEL阵列的功率和转换效率基本相同。

尽管VCSEL器件的转换效率通常低于边发射激光器,但是散热器/泵系统的使用,使VCSEL阵列的总系统转换效率有了显着提高。例如,一个采用散热器/泵系统的、具有48%的转换效率的VCSEL器件,其总系统效率与一个采用制冷器的具有65%的转换效率的边发射激光器的总系统效率相当。这是因为,制冷器的功耗与边发射激光器的功耗大致相同,而散热器/泵系统的功耗却不到VCSEL器件功耗的10%。

未来前景

本文中所介绍的半导体激光器,其激活区采用的都是铟镓砷/砷化镓(InGaAs/GaAs)半导体材料。因此,上述实验结果都是在输出波长为980nm的情况下获得的。如果激活区采用其他的III-V族半导体材料,那么VCSEL器件的波长可能更长或更短。

目前,边发射激光器的亮度要高于VCSEL器件的亮度。边发射激光器在亮度方面的优势是:单一边发射器能获得较高的光功率密度(从1×100μm的发射面积中可获得几瓦的光功率密度)。另一方面,边发射激光器巴条或边发射激光器叠阵要实现高亮度,则需要采用复杂的光学元件。我们计划开发高亮度、高功率VCSEL激光器,用于光纤激光器泵浦以及其他应用。

在需要较大光功率(如千瓦级)的应用中,阵列能够很容易地组装成“阵列的阵列”。这种结构只需要适当的焊料和高温传导热沉,如钻石。根据最近的研究结果,我们认为VCSEL器件必将成为高功率激光泵浦光源的首选,包括用于固体激光器和光纤激光器的泵浦。

 参考文献

1. A. Moser, et al., J. Appl. Phys. 71, 4848 (1992).

2. H.-U. Pfeiffer et al., Proc. OFC 2002, 483 (March 2002).

3. U-L-M photonics, “VCSEL Chip Products Reliability Report,” (October 2005).

4. J.A. Tatum et al., Proc. SPIE 3946, 2 (May 2000).


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