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一文揭晓激光真的有0805led灯珠这么神奇吗?

统佳光电

看过科幻片的伴侣,必然忘不了星球年夜战里的激光兵器吧!绝地武士们手持光剑使劲一挥,任何坚硬的金属城市应声而断,在影戏生化危机中,网状的激光光束向特种军队迎面而来,只见一小我私家刹时被切成一块块的「人排」,听起来有点恶心,到底甚么是激光呢?激光真的有这么神奇吗?

  形成“激光”,先完成两个主要步调 

「激光(Laser)」是「Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation」的缩写,意思是「哄骗激励放射来增长光的强度」,所谓的「激励放射」实在就是完成两个主要的步调,第一个是「能量引发(Pumping)」,第二个是「共振放年夜(Resonance)」:

>>>能量引发(Pumping)

固体激光(年夜多使用光引发光)属于「原子发光」,前面曾经经先容过原子发光的道理为,外加能量(光能或者电能)引发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开释出来,如图二(a)所示。半导体激光(年夜多使用电引发光)则是属于「半导体发光」,前面曾经经先容过半导体发光的道理为:外加能量(光能或者电能)引发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开释出来,如图二(b)所示。

要发出激光,受激辐射是最基本的前提,如图二(c)所示,能量引发有「光引发光(PL)」或者「电引发光(EL)」二种体式格局,岂论使用那一种体式格局均可以孕育发生激光,光引发光(PL)是外加光能使电子跳跃;电引发光(EL)则是外加电能使电子跳跃,将在后面具体先容。



图二 能量引发的道理。

>>>谐振放年夜(Resonance)

在发光区外加一对于「谐振腔(Cavity)」,谐振腔实在可使用一对于镜子构成,如图三所示,使光束在摆布两片镜子之间往返反射,不断地经由过程发光区接收光能,末了孕育发生谐振效应,使光的能量放年夜。

光引发光(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获得钛蓝宝石晶体,在晶体附雷士led灯珠近放置很多高亮度的光源(发出某一种波长的光)对于着晶体照射,当晶体接收光能孕育发生「能量引发(Pumping)」,则会发出别的一种波长(颜色)的光。发射出来的光经由摆布两个反射镜往返反射孕育发生「谐振放年夜(Resonance)」,因为右方的反射镜设计可以穿透5%的光,以是高能量的激光就会由右方穿透射出,如图三(a)所示。

电引发光(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(约莫只有一粒砂子的巨细)上下各蒸镀一层金属电极,对于着芯片施加电压,当芯片接收电能孕育发生「能量引发(Pumping)」,则会发出某一种波长(颜色)的光。发射出来的光经由摆布两个晶体镜面反射镜往返反射孕育发生「谐振放年夜(Resonance)」,因为右方的反射镜设计可以穿透5%的光,以是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 激光孕育发生的道理。

  哪种激光最深刻影响咱们的糊口? 

激光的种类可以分为:气体激光、液体激光、固体激光与半导体激光,严酷来讲,半导体激光也是固体激光的一种,可是因为今朝贸易上半导体激光的使用量很年夜,例如:光学读取头、光通信光源、激光唆使器等,以是激光已经经深刻影响着咱们的糊口,而激光二极管又可以分为边射型激光与面射型激光,此次到场2017年VCSELs(面射型激光)立异技能与运用钻研会的主题就是面射型激光。在进入主题前,我照旧恢复我的气势派头,用科普式的语言提及!

>>>激光二极管(LD:Laser Diode)

一、激光二极管的界说

前面先容的四种激光,只有半导体激光的体积最小,成本最低,并且只需要外加一颗小小的电池就能够使用,是以可以广泛地运用在各类电子产物中 。

二、激光二极管的种类

激光二极管(LD)的组织如图四(a)所示,外不雅呈圆柱形,凡是会依照封装的差别而有差别的外形,可是真正发光的部门只有「芯片(Die)」罢了,芯片的尺寸与海边的一粒砂子差未几,这么小的一个芯片就能够发出很强的光,因为激光二极管的芯片很小,以是一片两吋的砷化镓晶圆就能够建造数千个芯片,切割之后再封装,形成如图四(b)的外不雅,激光二极管的制程与硅晶圆的制程相似,都是哄骗黄光微影、掺杂技能、蚀刻技能、薄膜发展建造。



图四 边射型激光二极管LD的外不雅与组织。

激光二极管有许多的运用,我在去年八月第一篇里手说文章已经经先容了激光的显示与照明两个用途,而且阐发了这两个用途的远景尤为是氮化镓绿光激光乐成以后可能的激光电视与激光投影远景。而激光照明的运用也出格先容了激光用在汽车照明的将来。(标题:激光会是下一代照明与显示的主角吗?)今天这两项运用也获得了诺贝尔物理奖中村修二传授的宣扬,信赖各人都已经经有了比力轮廓式的相识。

今天我会把主题放在道理与工艺跟LED比力邻近的面射型激光VCSEL的先容,或许各人会比力生疏,可是熟悉这项技能与它的运用远景对于从事光电行业的人会有很年夜的帮忙,固然我在台湾到场2017年VCSELs(面射型激光)立异技能与运用钻研会以后,在我的微信伴侣圈承诺要带一些干货给泛博的读者,此刻就给各人分享分享这个激光新技能与将来它的无穷远景!



(Kenichi Iga传授是VCSEL的初次提出者)

  面射型激光最初运用的光通讯财产是怎么回事? 

因为面射型激光VCSEL最初的运用是光通讯财产,以是固然起首要先容光通讯财产。

起首帮各人初浅的先容光通讯(Optoco妹妹unication industry)财产,激光是光通讯的主角之一,实在光通讯是一个很重大的财产,光通讯财产梗概可以分为「光的自动组件」与「光的被动组件」两年夜类财产,此中自动组件的繁杂度较高,被动组件比力简朴,可是某些被动组件仍旧有其繁杂度,假如没有必然的技能能力没法顺遂量产,咱们简朴申明以下:

>>>光的自动组件

光的自动组件是指「卖力光讯号的孕育发生与吸收的组件,与光电能量的转换有关」,孕育发生光讯号凡是是指将电能转换成光能;吸收光讯号凡是是指将光能转换成电能。因为一般数据的处置惩罚与运算都是使用计较机,计较机是使用电讯号处置惩罚数据,以是当咱们要将数据传送到光纤收集时,必需先将电讯号转换成光讯号,如图五 所示,图中传送端「光发射模块(Transmitter)」的功效就是将电讯号转换成光讯号,咱们可以想象成它是将电讯号的「0」与「1」转换成光讯号的「暗」与「亮」,光讯号在光纤中颠末了数百千米的传送之后,达到吸收端,这个时辰必需将光讯号转换成电讯号,如图五所示,图中吸收端「光吸收模块(Receiver)」的功效就是将光讯号转换成电讯号,咱们可以想象成它是将光讯号的「暗」与「亮」转换成电讯号的「0」与「1」,再交给计较机举行处置惩罚与运算,这就是整个光纤收集与计较机事情的基来源根基理。



图五 光纤收集与计较机事情的基来源根基理。

光的自动组件包孕下列几种,这次主题是激光二极管,其它组件将会在将来开专题具体先容:
♦ 激光二极管(LD):将电讯号转换成光讯号。
♦ 光放年夜器(Amplifier):放年夜光讯号。
♦ 光侦测器(Detector):将光讯号转换成电讯号。

>>>光的被动组件

光的被动组件是指「卖力光讯号的通报与调变的组件,与光电能量的转换无关」。光的被动组件包孕下列几种,将来我将会开专题具体先容:
♦ 光纤(Fiber):通报光讯号。
♦ 光毗连器(Connector):毗连光纤。
♦ 光耦合器(Coupler):将二信道光讯号会合成一信道。
♦ 光分散器(Splitter):将一信道光讯号分隔成二信道。
♦ 光阻遏器(Isolator):制止光讯号反射。
♦ 光衰减器(Attenuator):降低光讯号强度。
♦ 光互换器(Optical switch):转变光讯号进步标的目的。

♦ 光电调制器(Modulator):调变光讯号。

♦ 波长多使命器(WDM:Wavelength Division Multiplexing):将差别波长(差别颜色)的光同时送入一条光纤中传输。
♦led灯珠报告 低级波长多使命器(CWDM:Coarse WDM):将8种如下的波长(颜色)的光同时送入一条光纤中传输。
♦ 高密度波长多使命器(DWDM:Dense WDM):将16种以上的波长(颜色)的光同时送入一条光纤中传输,包孕薄膜滤光片、数组波导光栅与光纤光栅等三种技能。

  面射型激光有哪些非凡工艺与LED区分较年夜? 

回到主题了,此刻最先先容激光二极管,激光二极管用波长来分类,运用会有很年夜的不同,今朝可见光激光年夜部门运用在光贮存光照明与光显示,红外光年夜部门用在光通讯与光感到,为何光通讯年夜部门使用红外光激光呢?如图六(a)所示,因为光纤在红外波段的衰减最小,尤为是在1550nm波段,而1310nm波段虽然衰减没有1550nm小,可是由于在这个波段色散最小,如图六(b),以是1310nm波长的激光也经常用于中长间隔光纤通信用光源。而红外的850nm与980nm光源也被使用于较短间隔的结尾收集体系,因为用量年夜,要求低,以是也经常用红外LED取代激光。



图六 硅基光纤(SiO2)在差别发射光谱的衰减与色散示用意

色散的界说:光纤的输入端光脉冲旌旗灯号颠末长间隔传输之后,在光纤输出端,光脉冲波形发生了时域上的展宽,这类征象即为色散。

因为宽带与年夜数据体系要求愈来愈多的数据传输,如图七所示,光通讯的发光元器件又可以分类为LED,边射型与面射型激光二极管LD三种,图七为三种发器件的组织与道理,图七(a)的LED除了了可以用于照明与显示之外,红外光LED也是初期经常使用的光通讯结尾器件,制造简朴与价格比激光自制是LED的上风。

图七(c)是VCSEL的布局图,VCSEL是垂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,其发光垂直于顶面射出, VCSEL芯片比拟边射型激光二极管,工艺比力简朴,如图七(b)所示,VCSEL与激光由边沿射出的边射型激光二极管有所差别。
激光真的有这么神奇吗?



图七 LED,边射型激光LD与面射型激光VCSEL三种发光器件的布局示用意

面射型激光二极管VCSEL与LED工艺很邻近,可是两个非凡工艺与LED区分较年夜,一个是DBR反射层形成共振腔镜面的工艺技能,另外一个就是限定电流的氧化技能。

>>>DBR反射镜技能

典型的VCSEL布局如图九所示,其发光区由大批子阱构成,发光区上下双方别离由多层四分之一波长厚的凹凸折射率瓜代的外延质料形成的DBR,相邻层之间的折射率差使每一组迭层的Bragg波长四周的反射率到达极高(>99%)的程度,需要建造的高反射率反射镜的对于数依据每一对于层的折射率而定,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年夜处四周,以便得到最年夜的受激辐射效率而举行往返反射与震荡。出射光标的目的可所以顶部或者衬底,这重要取决于衬底质料对于所发出的激射光是否透明和上下DBR毕竟那一个取值更年夜一些。



图九 VCSEL的布局示用意

>>>电流限定技能

为了到达比LED更低的功耗,限定VCSEL中的电流,到达低闸值电流,可以到达器件低电流,高效率的目的。

如图十所示,有三种重要的要领来限定VCSEL中的电流,依照其特征分成三种:掩埋地道结VCSEL,离子植入VCSEL以及氧化型VCSEL。

图十(a)为第一种布局,掩埋地道结VCSEL因为布局繁杂,并且需要使用份子束外延MBE制造,量产坚苦,今朝仅止于学术研究。在上世纪90年月前期,电子通信公司较偏向于使用离子植入的VCSEL。如图十(b)所示,凡是使用氢离子H+植入VCSEL布局中,除了了共振腔之外,其它区域用离子植入粉碎共振腔周围的晶格布局,使电流被限定,错误谬误是光限定效果欠好。以是上世纪90年月中期之后,这些公司们纷纷进而使用氧化型VCSEL的技能。如图十(c)所示,氧化型VCSEL是哄骗VCSEL共振腔周围质料的氧化反映来限定电流,是以在氧化型VCSEL中,电流的路径就会被氧化共振腔所限定。



图十 三种差别的限定VCSEL电流的技能与布局示用意

今朝业界主流技能已经经年夜部门转至氧化型VCSEL布局器件,可是也孕育发生了出产上的坚苦。要将AlAs砷化铝氧化成Al2O3氧化层的氧化率与铝的含量有很是年夜的瓜葛。只要铝的含量有些微的变化,就会转变其氧化率而致使共振腔的规格会过年夜或者太小于尺度规格。

不外这个坚苦在此次论坛有了让人雀跃的好动静,法国的AET Technology公司设计了一台可以周详节制氧化速度的装备,合用于六寸芯片量产,周详节制氧化历程可以省去已往工程师用试错批改来调试参数,让VCSEL在批量出产良率跨入了一个里程碑。

  为何说面射型激光商机无穷? 

因为VCSEL是光从垂直于半导体衬底外貌标的目的出射的一种半导体激光器,具备模式好、低闸值电流、不变性好、寿命长、调制速度高、集成高、发散角小、耦合效率高、价格自制等许多长处。由于在垂直于衬底的标的目的上可并行摆列着多个激光器,以是很是合适运用在并行光传输和并行光互连等范畴,VCSEL可以用来在光纤收集中高速传输数据。

其比拟传统电缆体系可以以更快的速率传输更年夜的数据量。速率到达每一秒40G,是这一范畴美国今朝的最高速率纪录。因为其体积很小,这类VCSEL装配还拥有很高的能源效率,比拟传统的电线要节能100倍。但与此同时其传输数据的切确性也很是高。

今朝VCSEL以空前的速率乐成地运用于单通道以及并行光互联,以它很高的机能价格比,在宽带以太网、高速数据通讯网中获得了年夜量的运用,是以VCSEL已经经是年夜数据中央的互联最主要的传输器件。

同理将来物联网(IOT)、聪明屋(Smart House)的数据中央传输(Data Center Co妹妹.)与感到端监控,VCSEL会是主角。而未来需要高速传输的 HDMI 、 HD TV、 USB 3.1 Type C 10G以上、Optical –Modem都需要VCSEL。

甚至虚拟实境VR、虚拟键盘VCSEL城市盘踞一席之地。



图十一 年夜数据中央与云计较数据库将来需要年夜量的数据传输,这里是谷歌与face book的big data center

将来VCSEL的其它运用:传感器与数据传输是VCSEL的最年夜运用,如表一所示,VCSEL比拟LED有更优胜的机能,以咱们经常使用的手机为例,因为聪明手机里的靠近传感器,当你接德律风脸接近屏幕时,屏幕灯会熄灭,并主动锁屏,可以避免面部误操作,当你脸脱离时,屏幕灯会主动开启,而且主动解锁。 智能手机中年夜量使用LED式靠近传感器,在手机靠近脸颊时封闭屏幕以避免误操作。假如咱们哄骗VCSEL激光传感器,可以做出更低功耗更切确间隔检测的手机靠近传感器。同理,将来许多需要传感器的举措措施与装备,VCSEL绝对于会是最佳的选择。



表一 850nm的LED与VCSEL的机能与特征比力表

将来假如VCSEL的性价比靠近LED,加之VCSEL优胜的机能,下列产物将来将是VCSEL的全国:
♦ 3C产物:近间隔感测(Proximity Sensor, PS)、手势遥控(Gesture)、 3D Camera、激光主动对于焦照相(Laser Auto Focus, TOF)、无线耳机、虹膜辨识 (面部辨识)。
♦ 主动化感到: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、呆板人。
♦ 安全掩护:电梯安全装配、眼睛掩护装配、 夜间监督器、汽车夜视功效。
♦ 光学触控面板: ATM、讲授、中年夜型面板。

想象一下将来的呆板人时代,所有的呆板人需要年夜量的传感器,矫捷的呆板人更需要速率更快,耗能更低的传感器,VCSEL在将来的呆板人时代将饰演很是主要的脚色。

  交通年夜学蓝光GaN VCSEL的最新冲破对于面射型激光有甚么影响? 

在集会时期,我与新竹交通年夜学传授会商了他们试验室研发出的世界第一颗蓝光VCSEL到底将来会有甚么运用,如图十二所示,氮化镓蓝光VCSEL早期技能冲破确凿可喜,可是制造蓝光VCSEL确凿很坚苦,虽然蓝光VCSEL可以搭配塑料质料的光纤,对于光纤成本可以年夜幅度的降低,尤为是将来年夜数据中央需要年夜量的光毗连,假如蓝光VCSEL在工艺与成本可以冲破,远景可期。



图十二 交通年夜学的蓝光VCSEL布局与数据图

今朝交通年夜学已经经不消繁杂的外延工艺生长氮化铝/氮化镓的DBR布局建造蓝光VCSEL,他们的试验室团队变换思绪接纳剥离衬底的氮化镓薄膜布局,哄骗晶片贴合技能将氮化镓薄膜贴合氧化物DBR,新的蓝光VCSEL岂论在光效上或者制造成本与良率节制上都取患上要害性的冲破,蓝光VCSEL搭配塑料光纤,如许的远景值患上期待,尤为是咱们身处的物联网年夜数据云计较时代。

LED已经经是一个很成熟的财产,激光LD与VCSEL运用正在腾飞,对于于将来,咱们需要新思维,新技能来迎接光电的新时代,但愿这篇文章可让LED技能从业者转变你的设法,开创属于你们的光辉时代。(本文作者:广东德力光电副总司理叶国光)




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