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, al contrario de los láseres semiconductores de emisión por borde convencionales (también llamados láseres en el plano ) que emiten desde superficies formadas al escindir el chip individual de una oblea . Los VCSEL se utilizan en varios productos láser, incluidos ratones de computadora , comunicaciones por fibra óptica , impresoras láser , Face ID , [1] y gafas inteligentes . [2]
Existen varias ventajas en la producción de láseres VCSEL, en contraste con el proceso de producción de láseres de emisión por el borde. Los láseres de emisión por el borde no se pueden probar hasta el final del proceso de producción. Si el láser de emisión por el borde no funciona correctamente, ya sea debido a malos contactos o a una mala calidad del crecimiento del material, se habrán desperdiciado el tiempo de producción y los materiales de procesamiento. Sin embargo, los láseres VCSEL se pueden probar en varias etapas a lo largo 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 de material dieléctrico durante el grabado, un proceso de prueba provisional indicará que la capa superior de metal no está haciendo contacto con la capa de metal inicial. Además, debido a que los láseres VCSEL emiten el haz perpendicular a la región activa del láser en lugar de hacerlo en paralelo como con un láser de emisión por el borde, se pueden procesar decenas de miles de láseres VCSEL simultáneamente en una oblea de arseniuro de galio de tres pulgadas . Por lo tanto, aunque el proceso de producción de láseres VCSEL requiere más mano de obra y material, el rendimiento se puede controlar para obtener un resultado más predecible y superior. [3]
El resonador láser consta de dos espejos reflectores de Bragg distribuidos (DBR) paralelos a la superficie de la oblea con una región activa que consta de uno o más pozos cuánticos para la generación de luz láser en el medio. Los espejos DBR planares constan de capas con índices de refracción altos y bajos alternados. 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%. Se requieren espejos de alta reflectividad en los VCSEL para equilibrar la corta longitud axial de la región de ganancia.
En los VCSEL comunes, los espejos superior e inferior están dopados con materiales de tipo p y tipo n , lo que forma una unión de diodo . En estructuras más complejas, las regiones de 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 potencia 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, 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 construir VCSEL porque la constante de red del material no varía mucho a medida que cambia la composición, lo que permite que se desarrollen múltiples capas epitaxiales "adaptadas a la red" sobre un sustrato de GaAs. Sin embargo, el índice de refracción de AlGaAs varía relativamente mucho a medida que aumenta la fracción de Al, lo que minimiza la cantidad 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 restringir la corriente en un VCSEL, lo que permite corrientes de umbral muy bajas.
Los principales métodos de restricción de la corriente en un VCSEL se caracterizan por dos tipos: VCSEL implantados con iones y VCSEL de óxido.
A principios de los años 90, las empresas de telecomunicaciones tendían a favorecer los VCSEL con implantación de iones. Los iones (a menudo iones de hidrógeno, H+) se implantaban en la estructura del VCSEL en todas partes, excepto en la abertura del VCSEL, destruyendo la estructura reticular alrededor de la abertura, inhibiendo así la corriente. A mediados y finales de los años 90, las empresas se inclinaron por la tecnología de los VCSEL de óxido. La corriente se limita en un VCSEL de óxido oxidando el material alrededor de la abertura del VCSEL. Una capa de alto contenido de aluminio que crece dentro de la estructura del VCSEL es la capa que se oxida. Los VCSEL de óxido también emplean a menudo el paso de producción de implante de iones. Como resultado, en el VCSEL de óxido, la ruta de la corriente está limitada por el implante de iones y la abertura de óxido.
La aceptación inicial de los VCSEL de óxido estuvo plagada de preocupaciones sobre el "desprendimiento" de las aberturas 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 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] Una preocupación de producción también afectó a la industria cuando los VCSEL de óxido pasaron del modo de investigación y desarrollo al modo de 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 daba como resultado aberturas que eran 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 a longitudes de onda aún más altas 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 emiten desde la superficie superior del chip, se pueden probar en la oblea antes de dividirlos en dispositivos individuales. Esto reduce el costo de fabricación de los dispositivos. También permite que los VCSEL se construyan 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 de borde, 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 por los bordes, reduce la corriente de umbral de los VCSEL, lo que da como resultado un bajo consumo de energía. Sin embargo, hasta el momento, los VCSEL tienen una potencia de emisión menor en comparación con los láseres de emisión por los bordes. La baja corriente de umbral también permite altos anchos de banda de modulación intrínseca en los VCSEL. [9]
La longitud de onda de los VCSEL se puede ajustar, dentro de la banda de ganancia de la región activa, ajustando el espesor de las capas reflectoras.
Si bien los primeros VCSEL emitían en múltiples modos longitudinales o en modos de filamento, ahora son comunes los VCSEL monomodo.
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). Ha habido relativamente pocos estudios publicados sobre VCSEL de alta potencia. Los dispositivos individuales de gran apertura que operan 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 empaquetado llevaron a que los VCSEL de gran apertura individuales emitieran varios cientos de milivatios en 1998. [11] También se informó en 1998 de un funcionamiento de onda continua (CW) de más de 2 W a una temperatura del disipador de calor de -10 grados Celsius a partir de un conjunto de VCSEL que constaba de 1000 elementos, lo que corresponde a una densidad de potencia de 30 W/cm 2 . [12] En 2001, se informó de una potencia de CW superior a 1 W y de 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 difusor de calor de diamante , aprovechando la altísima conductividad térmica del diamante . En 2005, se informó de una potencia de salida de CW récord de 3 W a partir de dispositivos individuales de gran diámetro que emitían alrededor de 980 nm. [14]
En 2007, se informó de una potencia de salida de CW superior a 200 W a partir de una matriz VCSEL 2D de gran tamaño (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 de conexión a la pared y el empaquetado. En 2009, se informaron niveles de potencia >100 W para matrices VCSEL que emitían alrededor de 808 nm. [16]
En ese momento, la tecnología VCSEL se volvió útil para una variedad de aplicaciones médicas, industriales y militares que requieren alta potencia o energía. Algunos ejemplos de tales aplicaciones son:
En 1965, Ivars Melngailis informó sobre la emisión superficial de un semiconductor a granel 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 simple de su idea. A diferencia de los láseres semiconductores de emisión por el borde Fabry-Perot convencionales, su invención comprende una cavidad láser corta de menos de 1/10 de los láseres de emisión por el borde verticales 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 los dispositivos para operación de CW a temperatura ambiente no fueron reportados hasta 1988. [22] El término VCSEL fue acuñado en una publicación de la Optical Society of America en 1987. [23] En 1989, Jack Jewell lideró una colaboración Bell Labs / Bellcore (incluyendo a Axel Scherer , Sam McCall, Yong Hee Lee y James Harbison) que demostró más de 1 millón de VCSEL en un pequeño chip. [24] [25] Estos primeros VCSEL totalmente semiconductores introdujeron otras características de diseño que todavía se usan 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 ingresaron al campo, y pronto se informaron muchas innovaciones importantes de todo el mundo". [26] Andrew Yang de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) inició rápidamente 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 de emisión 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.