作者：李曦編譯，武漢富泰華創(chuàng)光電科技有限公司

高功率邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療以及國防等多個領(lǐng)域，也是固體激光器泵浦和光纖激光器泵浦的普遍選擇。然而眾所周知，在高功率密度下，邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的發(fā)射腔面容易產(chǎn)生光學(xué)災(zāi)變性損壞（COD），這是導(dǎo)致高功率邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器性能下降的一個致命因素。^[1] 相比之下，垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）中則沒有COD，因為其增益區(qū)是嵌入到外延結(jié)構(gòu)中的，因此也不會暴露在外界環(huán)境中（見圖1）。此外，在邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器中，與邊發(fā)射結(jié)相連的光波導(dǎo)的面積相對較小，從而導(dǎo)致其比VCSEL具有更高的功率密度。通常，一個典型的邊發(fā)射激光器的故障率（FIT率定義為每10億個器件工作小時中所出現(xiàn)的故障數(shù)）為500或更高。^[2]相比之下，VCSEL的FIT率為10或更小。^[3][4]也就是說，一個使用VCSEL作泵浦源的系統(tǒng)，其使用壽命至少要比用邊發(fā)射激光器作泵浦源長50倍。 

圖1：在單個頂部發(fā)射VCSEL器件中，電流和模式禁閉是通過一個富含鋁層的選擇性氧化實現(xiàn)的，其輸出光為圓形低發(fā)散光束，光束方向垂直于外延層（左圖）；而邊發(fā)射激光器的輸出光為橢圓形光束，光束方向與外延層平行（右圖）。

“激活能量”EA，通常用來描述與某一特定技術(shù)相關(guān)的故障對溫度的依賴性。這個參數(shù)是通過作為反轉(zhuǎn)結(jié)溫度的函數(shù)的一系列平均故障時間得出的。在邊發(fā)射激光器中，因為COD誘發(fā)的故障對溫度非常敏感，其典型的激活能量為0.45eV；而VCSEL器件因為不受COD的影響，其激活能量為0.7eV，幾乎是邊發(fā)射激光器的兩倍。較高的激活能量意味著：如果只考慮溫度對FIT的影響，那么工作在80 ℃高溫條件下的VCSEL的可靠性，要比工作在40 ℃條件下的邊發(fā)射激光器的可靠性高出400倍還多！許多VCSEL器件已經(jīng)在80 ℃高溫下運作了足夠長的時間，其在性能方面并沒有衰減的跡象。有人甚至讓VCSEL器件工作在更高的溫度下。^[5] VCSEL器件在高溫下可靠運作的能力是一個重要優(yōu)勢，這使其對冷卻的需求大大降低。

利用這些優(yōu)勢，我們制造了大型高功率VCSEL陣列，并且在不使用制冷機（即使用冷卻水或乙烯乙二醇等再循環(huán)冷卻劑的一個制冷系統(tǒng)）的條件下運作。因為沒有制冷設(shè)備，所以該VCSEL陣列的結(jié)構(gòu)更加緊湊，總體效率也更高。

VCSEL陣列制造

為了實現(xiàn)高功率運作的VCSEL器件，我們制作了平行運作的單一器件的二維（2D）陣列。VCSEL器件的制造，與成熟的低成本硅集成電路平面處理類似。在VCSEL器件的制造中，反射鏡和激活區(qū)沿著外延生長方向順序堆疊。輸出光的偏振方向與激活層垂直，并以圓形和低發(fā)散的光束從器件頂部（或底部）輸出。接下來，VCSEL晶圓要進行刻蝕和金屬鍍膜步驟，以形成電接觸。針對具體應(yīng)用情況，電流和光發(fā)射的約束通常是通過對一個富含鋁層進行選擇性氧化、離子注入，或是二者兼施的方法來實現(xiàn)的。VCSEL器件可以設(shè)計成“頂部發(fā)射” （在epi/空氣界面）或“底部發(fā)射”（通過透明基底），例如為實現(xiàn)更加有效的熱沉而需要進行倒裝焊的情況。

 經(jīng)過加工后，晶圓便進入測試步驟。這個步驟要對每個芯片測試，看其是否合格。接下來是晶圓劃片，最后是對芯片進行更高級別的封裝（利用率非常高，一般在95％以上）或是報廢。晶圓被切割成單一的芯片，或是由以平行方式有效連接的單一芯片構(gòu)成的陣列。該陣列可以是線性的（一維）、長方形或正方形（2D）。此外，在一個VCSEL陣列中，單個芯片的位置是由照片光刻技術(shù)定義的，它可以對該芯片進行任意設(shè)計布局，放置位置可以精確到微米級。根據(jù)應(yīng)用的不同，VCSEL二維陣列所包含的單芯片數(shù)量可以從幾百個到幾千個。

 由于VCSEL的諧振腔是由夾在兩個分布布拉格反射鏡（DBR）之間的一個波長級腔長構(gòu)成，因此其輸出光是單縱模的，輸出波長具有固有的穩(wěn)定性（約0.065nm/K），因而不需要額外的波長穩(wěn)定裝置或外部光學(xué)元件；而邊發(fā)射激光器是需要波長穩(wěn)定裝置的。此外，由于半導(dǎo)體生長技術(shù)和封裝技術(shù)的進步，從大型VCSEL二維陣列中發(fā)射的波長的一致性非常好，光譜寬度約為0.8nm。優(yōu)異的波長穩(wěn)定和極窄的譜線寬度，在介質(zhì)吸收帶較窄的泵浦應(yīng)用中是非常有用的。

我們制造了面積為0.22cm²的VCSEL陣列，具有230W以上的連續(xù)輸出功率，相應(yīng)的功率密度超過1kW/cm²（圖2）。我們還用3.5kW/cm²的更高功率密度展示了超過100W的準(zhǔn)連續(xù)功率輸出（輸出光為脈沖，脈沖寬度為100us，占空比約10％）。這些功率值和功率密度均能與邊發(fā)射激光器的相應(yīng)指標(biāo)相比較。        

 圖2：隨著連續(xù)波電流的增加，二維VCSEL陣列的功率、電壓和轉(zhuǎn)換效率曲線圖。在電流為312A處，獲得了230W的最高輸出功率。VCSEL陣列芯片是用焊接和金屬絲粘結(jié)到熱沉上的（插圖）。

 無制冷運作

我們制造的高功率VCSEL陣列，采用僅僅包含一個緊湊的散熱器/風(fēng)扇和水泵系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)，該冷卻系統(tǒng)與汽車中使用的冷卻系統(tǒng)類似，只是體積要小很多。風(fēng)扇/散熱器對水進行冷卻，而水通過水泵在一個微通道冷卻器中實現(xiàn)循環(huán)，微通道冷卻器作為VCSEL陣列基底下的熱沉（圖 3）。相比之下，邊發(fā)射激光器疊陣是需要制冷器的，而且通常制冷器的體積要比VCSEL陣列中使用的散熱器/水泵系統(tǒng)的體積要大得多。此外，邊發(fā)射激光器結(jié)溫的精確控制，也往往要求激射波長保持在某一特定的值。而VCSEL并不需要對結(jié)溫進行精確控制，因為VCSEL中的波長溫漂要比邊發(fā)射激光器低5倍。

圖3：在一個封裝完好的高功率VCSEL陣列中，一個緊湊的散熱器/風(fēng)扇和小型水泵系統(tǒng)提供循歡冷卻散熱功能。在邊發(fā)射激光器中使用的制冷器的體積，要遠遠大于VCSEL陣列（右上圖）中使用的微通道冷卻系統(tǒng)的體積。

 對使用制冷器和使用散熱器/水泵系統(tǒng)的VCSEL陣列，我們分別測量了它們的輸出功率和功率轉(zhuǎn)換效率。測量結(jié)果表明，在相同的工作電流（50A）下，這兩個VCSEL陣列的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率基本相同（圖4）。       

圖4：在使用制冷器使溫度保持在20℃、以及使用一個小型散熱器/熱泵系統(tǒng)（即無制冷運作）這兩種不同的冷卻機制下，高功率VCSEL陣列的功率和轉(zhuǎn)換效率基本相同。

盡管VCSEL器件的轉(zhuǎn)換效率通常低于邊發(fā)射激光器，但是散熱器/泵系統(tǒng)的使用，使VCSEL陣列的總系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率有了顯著提高。例如，一個采用散熱器/泵系統(tǒng)的、具有48％的轉(zhuǎn)換效率的VCSEL器件，其總系統(tǒng)效率與一個采用制冷器的具有65％的轉(zhuǎn)換效率的邊發(fā)射激光器的總系統(tǒng)效率相當(dāng)。這是因為，制冷器的功耗與邊發(fā)射激光器的功耗大致相同，而散熱器/泵系統(tǒng)的功耗卻不到VCSEL器件功耗的10％。

未來前景

本文中所介紹的半導(dǎo)體激光器，其激活區(qū)采用的都是銦鎵砷/砷化鎵（InGaAs/GaAs）半導(dǎo)體材料。因此，上述實驗結(jié)果都是在輸出波長為980nm的情況下獲得的。如果激活區(qū)采用其他的III-V族半導(dǎo)體材料，那么VCSEL器件的波長可能更長或更短。

目前，邊發(fā)射激光器的亮度要高于VCSEL器件的亮度。邊發(fā)射激光器在亮度方面的優(yōu)勢是：單一邊發(fā)射器能獲得較高的光功率密度（從1×100μm的發(fā)射面積中可獲得幾瓦的光功率密度）。另一方面，邊發(fā)射激光器巴條或邊發(fā)射激光器疊陣要實現(xiàn)高亮度，則需要采用復(fù)雜的光學(xué)元件。我們計劃開發(fā)高亮度、高功率VCSEL激光器，用于光纖激光器泵浦以及其他應(yīng)用。

在需要較大光功率（如千瓦級）的應(yīng)用中，陣列能夠很容易地組裝成“陣列的陣列”。這種結(jié)構(gòu)只需要適當(dāng)?shù)暮噶虾透邷貍鲗?dǎo)熱沉，如鉆石。根據(jù)最近的研究結(jié)果，我們認(rèn)為VCSEL器件必將成為高功率激光泵浦光源的首選，包括用于固體激光器和光纖激光器的泵浦。

 參考文獻

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).