El láser emisor de superficie de cavidad vertical ( VCSEL / ˈ v ɪ k s əl / ) es un tipo de diodo láser semiconductor con emisión de rayo láser perpendicular desde la superficie superior, a diferencia de los láseres semiconductores de emisión de bordes convencionales (también láseres en el plano). ) que se emiten desde superficies formadas al escindir el chip individual de una oblea . Los VCSEL se utilizan en diversos productos láser, incluidos ratones de computadora , comunicaciones de fibra óptica , impresoras láser , Face ID , [1] y gafas inteligentes . [2]
La producción de VCSEL tiene varias ventajas, en comparación con el proceso de producción de láseres de emisión de bordes. Los emisores de borde no se pueden probar hasta el final del proceso de producción. Si el emisor de bordes no funciona correctamente, ya sea debido a malos contactos o a una mala calidad del crecimiento del material, se habrá desperdiciado el tiempo de producción y los materiales de procesamiento. Sin embargo, los VCSEL se pueden probar en varias etapas a lo largo del proceso para verificar la calidad del material y problemas de procesamiento. Por ejemplo, si las vías , las conexiones eléctricas entre las capas de un circuito, no se han limpiado completamente de material dieléctrico durante el grabado, un proceso de prueba provisional indicará que la capa metálica superior no está haciendo contacto con la capa metálica inicial. Además, debido a que los VCSEL emiten el haz perpendicular a la región activa del láser en lugar de paralelo como con un emisor de borde, 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 alto y más predecible. [3]
El resonador láser consta de dos espejos reflectores de Bragg (DBR) distribuidos paralelos a la superficie de la oblea con una región activa que consta de uno o más pozos cuánticos en el medio para la generación de luz láser. Los espejos DBR planos constan de capas con índices de refracción altos y bajos que se alternan. Cada capa tiene un espesor de un cuarto de la longitud de onda del láser en el material, lo que produce reflectividades de intensidad superiores al 99%. En los VCSEL se requieren espejos de alta reflectividad para equilibrar la corta longitud axial de la región de ganancia.
En los VCSEL comunes, los espejos superior e inferior están dopados con materiales tipo p y tipo n , formando una unión de diodos . En estructuras más complejas, las regiones tipo p y tipo n pueden estar incrustadas entre los espejos, lo que requiere un proceso semiconductor más complejo para hacer contacto eléctrico con la región activa, pero eliminando la pérdida de energía eléctrica en la estructura DBR.
En la investigación de laboratorio de VCSEL utilizando nuevos sistemas de materiales, la región activa puede ser bombeada por una fuente de luz externa con una longitud de onda más corta , generalmente otro láser. Esto permite demostrar un VCSEL sin el problema adicional de lograr un buen rendimiento eléctrico; sin embargo, dichos dispositivos no son prácticos para la mayoría de las aplicaciones.
Los VCSEL para longitudes de onda de 650 nm a 1300 nm generalmente se basan en obleas de arseniuro de galio (GaAs) con DBR formados a partir de GaAs y arseniuro de aluminio y galio (Al x Ga (1- x ) As). El sistema GaAs-AlGaAs se prefiere para la construcción de VCSEL porque la constante de red del material no varía mucho a medida que se cambia la composición, lo que permite cultivar múltiples capas epitaxiales "emparejadas en red" sobre un sustrato de GaAs. Sin embargo, el índice de refracción de AlGaAs varía relativamente fuertemente a medida que aumenta 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, en altas concentraciones de aluminio, se puede formar un óxido a partir de AlGaAs, y este óxido se puede utilizar para restringir la corriente en un VCSEL, permitiendo corrientes de 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. Se implantaron iones (a menudo iones de hidrógeno, H+) en la estructura del VCSEL en todas partes excepto en la apertura del VCSEL, destruyendo la estructura reticular alrededor de la apertura, inhibiendo así la corriente. A mediados y finales de la década de 1990, las empresas avanzaron hacia la tecnología de VCSEL de óxido. La corriente está confinada en un VCSEL de óxido oxidando el material alrededor de la apertura del VCSEL. Una capa de aluminio con alto contenido que crece dentro de la estructura VCSEL es la capa que se oxida. Los VCSEL de óxido también suelen emplear el paso de producción de implantes de iones. Como resultado, en el VCSEL de óxido, la trayectoria de la corriente está confinada por el implante de iones y la abertura de óxido.
La aceptación inicial de los VCSEL de óxido estuvo plagada de preocupación por el hecho de que las aberturas "estallaran" debido a la tensión y los defectos de la capa de oxidación. Sin embargo, después de muchas pruebas, la confiabilidad de la estructura ha demostrado ser sólida. Como se indica en un estudio realizado por Hewlett Packard sobre VCSEL de óxido, "Los resultados de estrés muestran que la energía de activación y la vida útil de desgaste del VCSEL de óxido son similares a los del VCSEL de implante que emite la misma cantidad de potencia de salida". [4] Una preocupación de producción también afectó a la industria cuando se trasladaron los VCSEL de óxido del modo de investigación y desarrollo al modo de producción. La velocidad de oxidación de la capa de óxido dependía en gran medida del contenido de aluminio. Cualquier ligera variación en el aluminio cambiaría la tasa de oxidación, lo que a veces resultaría en aberturas demasiado grandes o demasiado pequeñas para cumplir con los estándares de especificación.
Se han demostrado dispositivos de longitud de onda más larga, de 1300 nm a 2000 nm, con al menos la región activa hecha de fosfuro de indio . Los VCSEL en 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 a base de sílice es mínima en este rango de longitud de onda.
Debido a que los VCSEL se emiten desde la superficie superior del chip, se pueden probar en la oblea antes de dividirlos en dispositivos individuales. Esto reduce el coste de fabricación de los dispositivos. También 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 que emiten bordes, produce un ángulo de divergencia menor del haz de salida y hace posible una alta eficiencia de acoplamiento con fibras ópticas.
La pequeña región activa, en comparación con los láseres que emiten bordes, 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 en comparación con los láseres que emiten bordes. La corriente de umbral bajo también permite anchos de banda de modulación intrínseca altos en VCSEL. [9]
La longitud de onda de los VCSEL se puede sintonizar, dentro de la banda de ganancia de la región activa, ajustando el espesor de las capas del reflector.
Mientras que los primeros VCSEL se emitían en múltiples modos longitudinales o en modos de filamento, los VCSEL monomodo son ahora comunes.
También se pueden fabricar láseres emisores de superficie 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 conjuntos bidimensionales (2D). Se han publicado relativamente pocos estudios sobre VCSEL de alta potencia. Los dispositivos individuales de gran apertura que operaban alrededor de 100 mW se informaron por primera vez en 1993. [10] Las mejoras en el crecimiento epitaxial, el procesamiento, el diseño del dispositivo y el empaque llevaron a que los VCSEL individuales de gran apertura emitieran varios cientos de milivatios en 1998. [11] Más En 1998 también se informó de un funcionamiento de onda continua (CW) de más de 2 W a una temperatura del disipador de calor de -10 grados Celsius desde una matriz VCSEL que consta de 1.000 elementos, correspondiente a una densidad de potencia de 30 W/cm 2 . [12] En 2001, se informó de más de 1 W de potencia CW y 10 W de potencia pulsada a temperatura ambiente a partir de una matriz de 19 elementos. [13] El chip de matriz VCSEL se montó en un disipador de calor de diamante , aprovechando la muy alta conductividad térmica del diamante . En 2005 se informó de una potencia de salida récord de 3 W en CW procedente de dispositivos individuales de gran diámetro que emitían alrededor de 980 nm. [14]
En 2007, se informó de más de 200 W de potencia de salida en CW de una gran matriz VCSEL 2D (5 × 5 mm) que emitía alrededor de la longitud de onda de 976 nm, [15] lo que representa 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 y el embalaje de los enchufes de pared . En 2009, se informaron niveles de potencia >100 W para matrices VCSEL que emitían alrededor de 808 nm. [dieciséis]
En ese momento, la tecnología VCSEL se volvió útil para una variedad de aplicaciones médicas, industriales y militares que requieren alta potencia o energía. Ejemplos de tales aplicaciones son:
Ivars Melngailis informó en 1965 sobre la emisión superficial de un semiconductor masivo a temperatura ultrabaja y confinamiento de portador magnético. [18] [19] [20] La primera propuesta de VCSEL de cavidad corta fue realizada por Kenichi Iga del Instituto de Tecnología de Tokio. en 1977. En su nota de investigación se muestra un dibujo sencillo de su idea. A diferencia de los láseres semiconductores de emisión de borde convencionales de Fabry-Perot, su invención comprende una cavidad láser corta, inferior a 1/10 de los láseres de emisión de borde vertical a la superficie de una oblea. En 1979, Soda, Iga, Kitahara y Suematsu realizaron una primera demostración en un VCSEL de cavidad corta, [ 21] pero no se informaron dispositivos para operación CW a temperatura ambiente hasta 1988. [22] El término VCSEL fue acuñado en una publicación de la Sociedad Óptica de América en 1987. [23] En 1989, Jack Jewell dirigió una colaboración 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 chip pequeño. [24] [25] 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 este campo y pronto se informaron de muchas innovaciones importantes en todo el mundo". [26] 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. [26] Los VCSEL reemplazaron a los láseres emisores de borde en aplicaciones para comunicaciones de 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.