高功率垂直腔面發射激光器（VCSEL）技術，為光泵浦、工業和醫療等應用提供了可靠的高溫工作特性。 高功率邊發射半導體激光器廣泛應用于工業、醫療以及國防等多個領域，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，邊發射半導體激光器的發射腔面容易產生光學災變性損壞（COD），這是導致高功率邊發射半導體激光器性能下降的一個致命因素。[1]相比之下，垂直腔面發射激光器（VCSEL）中則沒有COD，因為其增益區是嵌入到外延結構中的，因此也不會暴露在外界環境中（見圖1）。此外，在邊發射半導體激光器中，與邊發射結相連的光波導的面積相對較小，從而導致其比VCSEL具有更高的功率密度。通常，一個典型的邊發射激光器的故障率（FIT率定義為每10億個器件工作小時中所出現的故障數）為500或更高。[2]相比之下，VCSEL的FIT率為10或更? 3][4]也就是說，一個使用VCSEL作泵浦源的系統，其使用壽命至少要比用邊發射激光器作泵浦源長50倍。 圖1：在單個頂部發射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的，其輸出光為圓形低發散光束，光束方向垂直于外延層（左圖）；而邊發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相關的故障對溫度的依賴性。這個參數是通過作為反轉結溫度的函數的一系列平均故障時間得出的。在邊發射激光器中，因為COD誘發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°C高溫條件下的VCSEL的可靠性，要比工作在40°C條件下的邊發射激光器的可靠性高出400倍還多！許多VCSEL器件已經在80°C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勢，這使其對冷卻的需求大大降低。 利用這些優勢，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冷卻劑的一個制冷系統）的條件下運作。因為沒有制冷設備，所以該VCSEL陣列的結構更加緊湊，總體效率也更高。 VCSEL陣列制造 為了實現高功率運作的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。針對具體應用情況，電流和光發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的。VCSEL器件可以設計成“頂部發射” （在epi/空氣界面）或“底部發射”（通過透明基底），例如為實現更加有效的熱沉而需要進行倒裝焊的情況。 經過加工后，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定義的，它可以對該芯片進行任意設計布局，放置位置可以精確到微米級。根據應用的不同，VCSEL二維陣列所包含的單芯片數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成，因此其輸出光是單縱模的，輸出波長具有固有的穩定性（約0.065nm/K），因而不需要額外的波長穩定裝置或外部光學元件；而邊發射激光器是需要波長穩定裝置的。此外，由于半導體生長技術和封裝技術的進步，從大型VCSEL二維陣列中發射的波長的一致性非常好，光譜寬度約為0.8nm。優異的波長穩定和極窄的譜線寬度，在介質吸收帶較窄的泵浦應用中是非常有用的。 我們制造了面積為0.22cm2的VCSEL陣列，具有230W以上的連續輸出功率，相應的功率密度超過1kW/cm2（見圖2）。我們還用3.5kW/cm2的更高功率密度展示了超過100W的準連續功率輸出（輸出光為脈沖，脈沖寬度為100μs，占空比約10％）。這些功率值和功率密度均能與邊發射激光器的相應指標相比較。 圖2：隨著連續波電流的增加，二維VCSEL陣列的功率、電壓和轉換效率曲線圖。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/風扇和水泵系統的冷卻系統，該冷卻系統與汽車中使用的冷卻系統類似，只是體積要小很多。風扇/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循環，微通道冷卻器作為VCSEL陣列基底下的熱沉（見圖 3）。相比之下，邊發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/水泵系統的體積要大得多。此外，邊發射激光器結溫的精確控制，也往往要求激射波長保持在某一特定的值。而VCSEL并不需要對結溫進行精確控制，因為VCSEL中的波長溫漂要比邊發射激光器低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/風扇和小型水泵系統提供循歡冷卻散熱功能。在邊發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的體積。對使用制冷器和使用散熱器/水泵系統的VCSEL陣列，我們分別測量了它們的輸出功率和功率轉換效率。測量結果表明，在相同的工作電流（50A）下，這兩個VCSEL陣列的輸出功率和轉換效率基本相同（見圖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（即無制冷運作）這兩種不同的冷卻機制下，高功率VCSEL陣列的功率和轉換效率基本相同。盡管VCSEL器件的轉換效率通常低于邊發射激光器，但是散熱器/泵系統的使用，使VCSEL陣列的總系統轉換效率有了顯著提高。例如，一個采用散熱器/泵系統的、具有48％的轉換效率的VCSEL器件，其總系統效率與一個采用制冷器的具有65％的轉換效率的邊發射激光器的總系統效率相當。這是因為，制冷器的功耗與邊發射激光器的功耗大致相同，而散熱器/泵系統的功耗卻不到VCSEL器件功耗的10％。 未來前景 本文中所介紹的半導體激光器，其激活區采用的都是銦鎵砷/砷化鎵（InGaAs/GaAs）半導體材料。因此，上述實驗結果都是在輸出波長為980nm的情況下獲得的。如果激活區采用其他的III-V族半導體材料，那么VCSEL器件的波長可能更長或更短。 目前，邊發射激光器的亮度要高于VCSEL器件的亮度。邊發射激光器在亮度方面的優勢是：單一邊發射器能獲得較高的光功率密度（從1×100μm的發射面積中可獲得幾瓦的光功率密度）。另一方面，邊發射激光器巴條或邊發射激光器疊陣要實現高亮度，則需要采用復雜的光學元件。我們計劃開發高亮度、高功率VCSEL激光器，用于光纖激光器泵浦以及其他應用。 在需要較大光功率（如千瓦級）的應用中，VCSEL陣列能夠很容易地組裝成“陣列的陣列”。這種結構只需要適當的焊料和高溫傳導熱沉，如鉆石。根據最近的研究結果，我們認為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).