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激光真的有这么奇特吗?

来源:http://www.hnyuekan.com 编辑:d88尊龙 时间:2018/08/03

  激光真的有这么奇特吗?

  看过科幻片的朋友,必定忘不了星球大战里的激光兵器吧!绝地武士们手持光剑用力一挥,任何坚固的金属都会应声而断,在电影生化危机中,网状的激光光束向特种部队迎面而来,只见一个人瞬间被切成一块块的「人排」,听起来有点厌恶,终究什么是激光呢?激光真的有这么奇特吗?

  构成“激光”,先完结两个重要进程

  「激光(Laser)」是「Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation」的缩写,意思是「运用鼓励放射来添加光的强度」,所谓的「鼓励放射」其实就是完结两个重要的进程,第一个是「能量激起(Pumping)」,第二个是「共振扩大(Resonance)」:

  >>>能量激起(Pumping)

  固体激光(大多运用光激起光)归于「原子发光」,前面从前介绍过原子发光的原理为,外加能量(光能或电能)激起掺杂原子的电子由内层能级跳到外层能级,当电子由外层能级跳回内层能级时,将能量以光能的型式释放出来,如图二(a)所示。半导体激光(大多运用电激起光)则是归于「半导体发光」,前面从前介绍过半导体发光的原理为:外加能量(光能或电能)激起半导体的电子由价带跳到导带,当电子由导带跳回价带时,将能量以光能的型式释放出来,如图二(b)所示。

  要宣布激光,受激辐射是最基本的条件,如图二(c)所示,能量激起有「光激起光(PL)」或「电激起光(EL)」二种方法,不管运用那一种方法都能够发生激光,光激起光(PL)是外加光能使电子跳动;电激起光(EL)则是外加电能使电子跳动,将在后边具体介绍。

  

  

图二能量激起的原理。

  在发光区外加一对「谐振腔(Cavity)」,谐振腔其实能够运用一对镜子组成,如图三所示,使光束在左右两片镜子之间来回反射,不停地通过发光区吸收光能,最终发生谐振效应,使光的能量扩大。

  光激起光(PL:Photoluminescence)?咱们以「钛蓝宝石激光(Ti Sapphire laser)」为例,先在蓝宝石内掺杂钛原子得到钛蓝宝石晶体,在晶体四周放置许多高亮度的光源(宣布某一种波长的光)对着晶体照耀,当晶体吸收光能发生「能量激起(Pumping)」,则会宣布别的一种波长(色彩)的光。发射出来的光经由左右两个反射镜来回反射发生「谐振扩大(Resonance)」,因为右方的反射镜规划能够穿透5%的光,所以高能量的激光就会由右方穿透射出,如图三(a)所示。

  电激起光(EL:Electroluminescence)咱们以「砷化镓激光二极管(GaAs laser diode)」为例,先在砷化镓激光二极管芯片(大约只需一粒砂子的巨细)上下各蒸镀一层金属电极,对着芯片施加电压,当芯片吸收电能发生「能量激起(Pumping)」,则会宣布某一种波长(色彩)的光。发射出来的光经由左右两个晶体镜面反射镜来回反射发生「谐振扩大(Resonance)」,因为右方的反射镜规划能够穿透5%的光,所以高能量的激光光束就会由右方穿透射出,如图三(b)所示。

  

  

图三激光发生的原理。

  哪一种激光最深刻影响咱们的日子?

  激光的品种能够分为:气体激光、液体激光、固体激光与半导体激光,严格来说,半导体激光也是固体激光的一种,可是因为现在商业上半导体激光的运用量很大,例如:光学读取头、光通讯光源、激光指示器等,所以激光现已深刻影响着咱们的日子,而激光二极管又能够分为边射型激光与面射型激光,这次参与2017年VCSELs(面射型激光)立异技能与运用研讨会的主题就是面射型激光。在进入主题前,我仍是康复我的风格,用科普式的言语说起!

  >>>激光二极管(LD:Laser Diode)

  

  因为面射型激光VCSEL开端的运用是光通信工业,所以当然首要要介绍光通信工业。

  首要帮咱们初浅的介绍光通信(Optocommunication industry)工业,激光是光通信的主角之一,其实光通信是一个很巨大的工业,光通信工业大约能够分为「光的主动组件」与「光的被迫组件」两大类工业,其间主动组件的杂乱度较高,被迫组件比较简略,可是某些被迫组件依然有其杂乱度,假如没有必定的技能才能无法顺畅量产,咱们简略阐明如下:

  >>>光的主动组件

  光的主动组件是指「担任光信号的发生与接纳的组件,与光电能量的改换有关」,发生光信号一般是指将电能改换成光能;接纳光信号一般是指将光能改换成电能。因为一般数据的处理与运算都是运用核算机,核算机是运用电信号处理数据,所以当咱们要将数据传送到光纤网络时,有必要先将电信号改换成光信号,如图五 所示,图中传送端「光发射模块(Transmitter)」的功用就是将电信号改换成光信号,咱们能够幻想成它是将电信号的「0」与「1」改换成光信号的「暗」与「亮」,光信号在光纤中通过了数百公里的传送今后,抵达接纳端,这个时分有必要将光信号改换成电信号,如图五所示,图中接纳端「光接纳模块(Receiver)」的功用就是将光信号改换成电信号,咱们能够幻想成它是将光信号的「暗」与「亮」改换成电信号的「0」与「1」,再交给核算机进行处理与运算,这就是整个光纤网络与核算机作业的基本原理。

  

  

图五光纤网络与核算机作业的基本原理。

  光的主动组件包含下列几种,此次主题是激光二极管,其它组件将会在未来开专题具体介绍:

  ? 激光二极管(LD):将电信号改换成光信号。

  ? 光扩大器(Amplifier):扩大光信号。

  ? 光侦测器(Detector):将光信号改换成电信号。

  >>>光的被迫组件

  光的被迫组件是指「担任光信号的传递与调变的组件,与光电能量的改换无关」。光的被迫组件包含下列几种,未来我将会开专题具体介绍:

  ? 光纤(Fiber):传递光信号。

  ? 光衔接器(Connector):衔接光纤。

  ? 光耦合器(Coupler):将二信道光信号汇组成一信道。

  ? 光分离器(Splitter):将一信道光信号分开成二信道。

  ?光阻隔器(Isolator):阻挠光信号反射。

  ? 光衰减器(Attenuator):下降光信号强度。

  ? 光交换器(Optical switch):改动光信号前进方向。

  ? 光电调制器(Modulator):调变光信号。

  ? 波长多任务器(WDM:Wavelength Division Multiplexing):将不同波长(不同色彩)的光一起送入一条光纤中传输。

  ? 初级波长多任务器(CWDM:Coarse WDM):将8种以下的波长(色彩)的光一起送入一条光纤中传输。

  高密度波长多任务器(DWDM:Dense WDM):将16种以上的波长(色彩)的光一起送入一条光纤中传输,包含薄膜滤光片、数组波导光栅与光纤光栅等三种技能。

  面射型激光有哪些特别工艺与LED差异较大?

  回到主题了,现在开端介绍激光二极管,激光二极管用波长来分类,运用会有很大的不同,现在可见光激光大部分运用在光贮存光照明与光显现,红外光大部分用在光通信与光感应,为什么光通信大部分运用红外光激光呢?如图六(a)所示,因为光纤在红外波段的衰减最小,尤其是在1550nm波段,而1310nm波段尽管衰减没有1550nm小,可是因为在这个波段色散最小,如图六(b),所以1310nm波长的激光也常常用于中长间隔光纤通讯用光源。而红外的850nm与980nm光源也被运用于较短间隔的结尾网络体系,因为用量大,要求低,所以也常常用红外LED替代激光。

  

  

图六 硅基光纤(SiO2)在不同发射光谱的衰减与色散示意图

  色散的界说:光纤的输入端光脉冲信号通过长间隔传输今后,在光纤输出端,光脉冲波形发生了时域上的展宽,这种现象即为色散。

  因为宽带与大数据体系要求越来越多的数据传输,如图七所示,光通信的发光元器材又能够分类为LED,边射型与面射型激光二极管LD三种,图七为三种发器材的结构与原理,图七(a)的LED除了能够用于照明与显现以外,红外光LED也是前期常用的光通信结尾器材,制作简略与价格比激光廉价是LED的优势。

  图七(c)是VCSEL的结构图,VCSEL是笔直共振腔面射型激光(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)的简称,是一种半导体激光,其发光笔直于顶面射出, VCSEL芯片比较边射型激光二极管,工艺比较简略,如图七(b)所示,VCSEL与激光由边际射出的边射型激光二极管有所不同。

  激光真的有这么奇特吗?

  

  

图七 LED,边射型激光LD与面射型激光VCSEL三种发光器材的结构示意图

  面射型激光二极管VCSEL与LED工艺很邻近,可是两个特别工艺与LED差异较大,一个是DBR反射层构成共振腔镜面的工艺技能,另一个就是约束电流的氧化技能。

  >>>DBR反射镜技能

  典型的VCSEL结构如图九所示,其发光区由多量子阱组成,发光区上下两头分别由多层四分之一波长厚的凹凸折射率替换的外延资料构成的DBR,相邻层之间的折射率差使每组迭层的Bragg波长邻近的反射率到达极高(>99%)的水平,需求制作的高反射率反射镜的对数根据每对层的折射率而定,典型的量子阱数为1至4个,它们被置于共振腔驻波图形的最大处邻近,以便获得最大的受激辐射功率而进行来回反射与震动。出射光方向能够是顶部或衬底,这首要取决于衬底资料对所宣布的激射光是否通明以及上下DBR终究那一个取值更大一些。

  

  

图九 VCSEL的结构示意图

  >>>电流约束技能

  为了到达比LED更低的功耗,约束VCSEL中的电流,到达低闸值电流,能够到达器材低电流,高功率的意图。

  如图十所示,有三种首要的方法来约束VCSEL中的电流,按照其特性分红三种:埋葬地道结VCSEL,离子植入VCSEL和氧化型VCSEL。

  图十(a)为第一种结构,埋葬地道结VCSEL因为结构杂乱,而且需求运用分子束外延MBE制作,量产困难,现在仅止于学术研究。在上世纪90年代前期,电子通讯公司较倾向于运用离子植入的VCSEL。如图十(b)所示,一般运用氢离子H+植入VCSEL结构中,除了共振腔以外,其它区域用离子植入损坏共振腔周围的晶格结构,使电流被约束,缺陷是光约束作用欠好。所以上世纪90年代中期今后,这些公司们纷繁进而运用氧化型VCSEL的技能。如图十(c)所示,氧化型VCSEL是运用VCSEL共振腔周围资料的氧化反响来约束电流,因而在氧化型VCSEL中,电流的途径就会被氧化共振腔所约束。

  

  

图十 三种不同的约束VCSEL电流的技能与结构示意图

  现在业界干流技能现已大部分转至氧化型VCSEL结构器材,可是也发生了生产上的困难。要将AlAs砷化铝氧化成Al2O3氧化层的氧化率与铝的含量有十分大的联系。只需铝的含量有些微的改动,就会改动其氧化率而导致共振腔的规范会过大或过小于规范规范。

  不过这个困难在这次论坛有了让人雀跃的好消息,法国的AET Technology公司规划了一台能够精细操控氧化速率的设备,适用于六寸芯片量产,精细操控氧化进程能够省去曩昔工程师用试错修正来调试参数,让VCSEL在批量生产良率跨入了一个里程碑。

  为什么说面射型激光商机无限?

  因为VCSEL是光从笔直于半导体衬底外表方向出射的一种半导体激光器,具有形式好、低闸值电流、稳定性好、寿命长、调制速率高、集成高、发散角小、耦合功率高、价格廉价等许多长处。因为在笔直于衬底的方向上可并行摆放着多个激光器,所以十分合适运用在并行光传输以及并行光互连等范畴,VCSEL能够用来在光纤网络中高速传输数据。

  其比较传统电缆体系能够以更快的速度传输更大的数据量。速度到达每秒40G,是这一范畴美国现在的最高速度纪录。因为其体积很小,这种VCSEL设备还具有很高的动力功率,比较传统的电线要节能100倍。但与此一起其传输数据的准确性也十分高。

  现在VCSEL以空前的速度成功地运用于单通道和并行光互联,以它很高的功用价格比,在宽带以太网、高速数据通信网中得到了许多的运用,因而VCSEL现已是大数据中心的互联最重要的传输器材。

  同理未来物联网(IOT)、才智屋(Smart House)的数据中心传输(Data Center Comm.)与感应端监控,VCSEL会是主角。而将来需求高速传输的 HDMI 、 HD TV、 USB 3.1 Type C 10G以上、Optical –Modem都需求VCSEL。

  乃至虚拟实境VR、虚拟键盘VCSEL都会占有一席之地。

  

  

图十一 大数据中心与云核算数据库未来需求许多的数据传输,这里是google与face book的big data center

  未来VCSEL的其它运用:传感器与数据传输是VCSEL的最大运用,如表一所示,VCSEL比较LED有更优胜的功用,以咱们常用的手机为例,因为才智手机里的挨近传感器,当你接电话脸挨近屏幕时,屏幕灯会平息,并主动锁屏,能够避免脸部误操作,当你脸脱离时,屏幕灯会主动敞开,而且主动解锁。 智能手机中许多运用LED式挨近传感器,在手机挨近脸颊时封闭屏幕避免误操作。假如咱们运用VCSEL激光传感器,能够做出更低功耗更准确间隔检测的手机挨近传感器。同理,未来许多需求传感器的设施与设备,VCSEL肯定会是最好的挑选。

  

  

表一 850nm的LED与VCSEL的功用与特性比较表

  未来假如VCSEL的性价比挨近LED,加上VCSEL优胜的功用,下列产品未来将是VCSEL的全国:

  3C产品:近间隔感测(Proximity Sensor, PS)、手势遥控(Gesture)、 3D Camera、激光主动对焦摄影(Laser Auto Focus, TOF)、无线耳机、虹膜辨识 (脸部辨识)。

  主动化感应:空拍机下降侦测、主动扫地机、工业4.0 主动化感测、无人驾驶车、机器人。

  安全维护:电梯安全设备、眼睛维护设备、 夜间监视器、轿车夜视功用。

  光学触控面板: ATM、教育、中大型面板。

  幻想一下未来的机器人年代,一切的机器人需求许多的传感器,灵敏的机器人更需求速度更快,耗能更低的传感器,VCSEL在未来的机器人年代将扮演十分重要的人物。

  交通大学蓝光GaN VCSEL的最新打破对面射型激光有什么影响?

  在会议期间,我与新竹交通大学教授评论了他们实验室研宣布的国际第一颗蓝光VCSEL终究未来会有什么运用,如图十二所示,氮化镓蓝光VCSEL初期技能打破的确可喜,可是制作蓝光VCSEL的确很困难,尽管蓝光VCSEL能够调配塑料资料的光纤,对光纤本钱能够大幅度的下降,尤其是未来大数据中心需求许多的光衔接,假如蓝光VCSEL在工艺与本钱能够打破,远景可期。

  

  

图十二 交通大学的蓝光VCSEL结构与数据图

  现在交通大学现已不必杂乱的外延工艺成长氮化铝/氮化镓的DBR结构制作蓝光VCSEL,他们的实验室团队改换思路选用剥离衬底的氮化镓薄膜结构,运用晶片贴合技能将氮化镓薄膜贴合氧化物DBR,新的蓝光VCSEL不管在光效上或制作本钱与良率操控上都获得关键性的打破,蓝光VCSEL调配塑料光纤,这样的远景值得等待,尤其是咱们身处的物联网大数据云核算年代。

  LED现已是一个很老练的工业,激光LD与VCSEL运用正在起飞,关于未来,咱们需求新思维,新技能来迎候光电的新年代,期望这篇文章能够让LED技能从业者改动你的主意,创始归于你们的光辉年代。(本文作者:广东德力光电副总经理叶国光)