激光LD/VCSEL前景無限，你真的明白為何激光要登上大舞臺

看過科幻片的朋友，一定忘不了星球大戰(zhàn)里的激光武器吧！絕地武士們手持光劍用力一揮，任何堅硬的金屬都會應(yīng)聲而斷，在電影生化危機中，網(wǎng)狀的激光光束向特種部隊迎面而來，只見一個人瞬間被切成一塊塊的「人排」，聽起來有點惡心，到底什么是激光呢？激光真的有這么神奇嗎？

形成“激光”，先完成兩個重要步驟

「激光（Laser）」是「Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation」的縮寫，意思是「利用激勵放射來增加光的強度」，所謂的「激勵放射」其實就是完成兩個重要的步驟，第一個是「能量激發(fā)（Pumping）」，第二個是「共振放大（Resonance）」：

能量激發(fā)（Pumping）

固體激光（大多使用光激發(fā)光）屬于「原子發(fā)光」，前面曾經(jīng)介紹過原子發(fā)光的原理為，外加能量（光能或電能）激發(fā)摻雜原子的電子由內(nèi)層能級跳到外層能級，當(dāng)電子由外層能級跳回內(nèi)層能級時，將能量以光能的型式釋放出來，如圖二（a）所示。半導(dǎo)體激光（大多使用電激發(fā)光）則是屬于「半導(dǎo)體發(fā)光」，前面曾經(jīng)介紹過半導(dǎo)體發(fā)光的原理為：外加能量（光能或電能）激發(fā)半導(dǎo)體的電子由價帶跳到導(dǎo)帶，當(dāng)電子由導(dǎo)帶跳回價帶時，將能量以光能的型式釋放出來，如圖二（b）所示。

要發(fā)出激光，受激輻射是最基本的條件，如圖二（c）所示，能量激發(fā)有「光激發(fā)光（PL）」或「電激發(fā)光（EL）」二種方式，不論使用那一種方式都可以產(chǎn)生激光，光激發(fā)光（PL）是外加光能使電子跳躍；電激發(fā)光（EL）則是外加電能使電子跳躍，將在后面詳細(xì)介紹。

圖二　能量激發(fā)的原理

諧振放大（Resonance）

在發(fā)光區(qū)外加一對「諧振腔（Cavity）」，諧振腔其實可以使用一對鏡子組成，如圖三所示，使光束在左右兩片鏡子之間來回反射，不停地通過發(fā)光區(qū)吸收光能，最后產(chǎn)生諧振效應(yīng)，使光的能量放大。

光激發(fā)光（PL：Photoluminescence）?我們以「鈦藍寶石激光（Ti Sapphire laser）」為例，先在藍寶石內(nèi)摻雜鈦原子得到鈦藍寶石晶體，在晶體四周放置許多高亮度的光源（發(fā)出某一種波長的光）對著晶體照射，當(dāng)晶體吸收光能產(chǎn)生「能量激發(fā)（Pumping）」，則會發(fā)出另外一種波長（顏色）的光。發(fā)射出來的光經(jīng)由左右兩個反射鏡來回反射產(chǎn)生「諧振放大（Resonance）」，由于右方的反射鏡設(shè)計可以穿透5％的光，所以高能量的激光就會由右方穿透射出，如圖三（a）所示。

電激發(fā)光（EL：Electroluminescence）我們以「砷化鎵激光二極管（GaAs laser diode）」為例，先在砷化鎵激光二極管芯片（大約只有一粒砂子的大小）上下各蒸鍍一層金屬電極，對著芯片施加電壓，當(dāng)芯片吸收電能產(chǎn)生「能量激發(fā)（Pumping）」，則會發(fā)出某一種波長（顏色）的光。發(fā)射出來的光經(jīng)由左右兩個晶體鏡面反射鏡來回反射產(chǎn)生「諧振放大（Resonance）」，由于右方的反射鏡設(shè)計可以穿透5％的光，所以高能量的激光光束就會由右方穿透射出，如圖三（b）所示。

圖三　激光產(chǎn)生的原理哪一種激光最深刻影響我們的生活？

激光的種類可以分為：氣體激光、液體激光、固體激光與半導(dǎo)體激光，嚴(yán)格來說，半導(dǎo)體激光也是固體激光的一種，但是由于目前商業(yè)上半導(dǎo)體激光的使用量很大，例如：光學(xué)讀取頭、光通訊光源、激光指示器等，所以激光已經(jīng)深刻影響著我們的生活，而激光二極管又可以分為邊射型激光與面射型激光，這次參加2017年VCSELs（面射型激光）創(chuàng)新技術(shù)與應(yīng)用研討會的主題就是面射型激光。在進入主題前，我還是恢復(fù)我的風(fēng)格，用科普式的語言說起！

激光二極管（LD：Laser Diode）

1、激光二極管的定義

前面介紹的四種激光，只有半導(dǎo)體激光的體積最小，成本最低，而且只需要外加一顆小小的電池就可以使用，因此可以廣泛地應(yīng)用在各種電子產(chǎn)品中 。

2、激光二極管的種類

激光二極管（LD）的構(gòu)造如圖四（a）所示，外觀呈圓柱形，通常會依照封裝的不同而有不同的形狀，但是真正發(fā)光的部分只有「芯片（Die）」而已，芯片的尺寸與海邊的一粒砂子差不多，這么小的一個芯片就可以發(fā)出很強的光，由于激光二極管的芯片很小，所以一片兩吋的砷化鎵晶圓就可以制作數(shù)千個芯片，切割以后再封裝，形成如圖四（b）的外觀，激光二極管的制程與硅晶圓的制程相似，都是利用黃光微影、摻雜技術(shù)、蝕刻技術(shù)、薄膜成長制作。

圖四 邊射型激光二極管LD的外觀與構(gòu)造

激光二極管有很多的應(yīng)用，我在去年八月第一篇行家說文章已經(jīng)介紹了激光的顯示與照明兩個用途，并且分析了這兩個用途的前景尤其是氮化鎵綠光激光成功之后可能的激光電視與激光投影前景。而激光照明的應(yīng)用也特別介紹了激光用在汽車照明的未來。（標(biāo)題：激光會是下一代照明與顯示的主角嗎？）今天這兩項應(yīng)用也得到了諾貝爾物理獎中村修二教授的鼓吹，相信大家都已經(jīng)有了比較輪廓式的了解。

今天我會把主題放在原理與工藝跟LED比較相近的面射型激光VCSEL的介紹，也許大家會比較陌生，但是認(rèn)識這項技術(shù)與它的應(yīng)用前景對從事光電行業(yè)的人會有很大的幫助，當(dāng)然我在臺灣參加2017年VCSELs（面射型激光）創(chuàng)新技術(shù)與應(yīng)用研討會之后，在我的微信朋友圈承諾要帶一些干貨給廣大的讀者，現(xiàn)在就給大家分享分享這個激光新技術(shù)與未來它的無限前景！

（Kenichi Iga教授是VCSEL的首次提出者）

面射型激光最初應(yīng)用的光通信產(chǎn)業(yè)是怎么回事？

由于面射型激光VCSEL最初的應(yīng)用是光通信產(chǎn)業(yè)，所以當(dāng)然首先要介紹光通信產(chǎn)業(yè)。

首先幫大家初淺的介紹光通信（Optocommunication industry）產(chǎn)業(yè)，激光是光通信的主角之一，其實光通信是一個很龐大的產(chǎn)業(yè)，光通信產(chǎn)業(yè)大概可以分為「光的主動組件」與「光的被動組件」兩大類產(chǎn)業(yè)，其中主動組件的復(fù)雜度較高，被動組件比較簡單，但是某些被動組件仍然有其復(fù)雜度，如果沒有一定的技術(shù)能力無法順利量產(chǎn)，我們簡單說明如下：

光的主動組件

光的主動組件是指「負(fù)責(zé)光訊號的產(chǎn)生與接收的組件，與光電能量的轉(zhuǎn)換有關(guān)」，產(chǎn)生光訊號通常是指將電能轉(zhuǎn)換成光能；接收光訊號通常是指將光能轉(zhuǎn)換成電能。由于一般數(shù)據(jù)的處理與運算都是使用計算機，計算機是使用電訊號處理數(shù)據(jù)，所以當(dāng)我們要將數(shù)據(jù)傳送到光纖網(wǎng)絡(luò)時，必須先將電訊號轉(zhuǎn)換成光訊號，如圖五 所示，圖中傳送端「光發(fā)射模塊（Transmitter）」的功能就是將電訊號轉(zhuǎn)換成光訊號，我們可以想象成它是將電訊號的「0」與「1」轉(zhuǎn)換成光訊號的「暗」與「亮」，光訊號在光纖中經(jīng)過了數(shù)百公里的傳送以后，到達接收端，這個時候必須將光訊號轉(zhuǎn)換成電訊號，如圖五所示，圖中接收端「光接收模塊（Receiver）」的功能就是將光訊號轉(zhuǎn)換成電訊號，我們可以想象成它是將光訊號的「暗」與「亮」轉(zhuǎn)換成電訊號的「0」與「1」，再交給計算機進行處理與運算，這就是整個光纖網(wǎng)絡(luò)與計算機工作的基本原理。

圖五　光纖網(wǎng)絡(luò)與計算機工作的基本原理

光的主動組件包括下列幾種，此次主題是激光二極管，其它組件將會在未來開專題詳細(xì)介紹：

激光二極管（LD）：將電訊號轉(zhuǎn)換成光訊號。

光放大器（Amplifier）：放大光訊號。

光偵測器（Detector）：將光訊號轉(zhuǎn)換成電訊號。

光的被動組件

光的被動組件是指「負(fù)責(zé)光訊號的傳遞與調(diào)變的組件，與光電能量的轉(zhuǎn)換無關(guān)」。光的被動組件包括下列幾種，未來我將會開專題詳細(xì)介紹：

光纖（Fiber）：傳遞光訊號

光連接器（Connector）：連接光纖。

光耦合器（Coupler）：將二信道光訊號匯合成一信道。

光分離器（Splitter）：將一信道光訊號分開成二信道。

光隔絕器（Isolator）：阻止光訊號反射。

光衰減器（Attenuator）：降低光訊號強度。

光交換器（Optical switch）：改變光訊號前進方向。

光電調(diào)制器（Modulator）：調(diào)變光訊號。

波長多任務(wù)器（WDM：Wavelength Division Multiplexing）：將不同波長（不同顏色）的光同時送入一條光纖中傳輸。

初級波長多任務(wù)器（CWDM：Coarse WDM）：將8種以下的波長（顏色）的光同時送入一條光纖中傳輸。

高密度波長多任務(wù)器（DWDM：Dense WDM）：將16種以上的波長（顏色）的光同時送入一條光纖中傳輸，包括薄膜濾光片、數(shù)組波導(dǎo)光柵與光纖光柵等三種技術(shù)。面射型激光有哪些特殊工藝與LED區(qū)別較大？

回到主題了，現(xiàn)在開始介紹激光二極管，激光二極管用波長來分類，應(yīng)用會有很大的差別，目前可見光激光大部分應(yīng)用在光儲存光照明與光顯示，紅外光大部分用在光通信與光感應(yīng)，為什么光通信大部分使用紅外光激光呢？如圖六（a）所示，由于光纖在紅外波段的衰減最小，尤其是在1550nm波段，而1310nm波段雖然衰減沒有1550nm小，但是因為在這個波段色散最小，如圖六（b），所以1310nm波長的激光也常常用于中長距離光纖通訊用光源。而紅外的850nm與980nm光源也被使用于較短距離的末端網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，由于用量大，要求低，所以也常常用紅外LED代替激光。

圖六 硅基光纖（SiO2）在不同發(fā)射光譜的衰減與色散示意圖

色散的定義：光纖的輸入端光脈沖信號經(jīng)過長距離傳輸以后，在光纖輸出端，光脈沖波形發(fā)生了時域上的展寬，這種現(xiàn)象即為色散。

由于寬帶與大數(shù)據(jù)系統(tǒng)要求越來越多的數(shù)據(jù)傳輸，如圖七所示，光通信的發(fā)光元器件又可以分類為LED，邊射型與面射型激光二極管LD三種，圖七為三種發(fā)器件的構(gòu)造與原理，圖七（a）的LED除了可以用于照明與顯示以外，紅外光LED也是早期常用的光通信末端器件，制造簡單與價格比激光便宜是LED的優(yōu)勢。

圖七（c）是VCSEL的結(jié)構(gòu)圖，VCSEL是垂直共振腔面射型激光（Vertical－Cavity Surface－Emitting Laser）的簡稱，是一種半導(dǎo)體激光，其發(fā)光垂直于頂面射出， VCSEL芯片相比邊射型激光二極管，工藝比較簡單，如圖七（b）所示，VCSEL與激光由邊緣射出的邊射型激光二極管有所不同。

圖七 LED，邊射型激光LD與面射型激光VCSEL三種發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)示意圖

面射型激光二極管VCSEL與LED工藝很相近，但是兩個特殊工藝與LED區(qū)別較大，一個是DBR反射層形成共振腔鏡面的工藝技術(shù)，另一個就是限制電流的氧化技術(shù)。

DBR反射鏡技術(shù)

典型的VCSEL結(jié)構(gòu)如圖九所示，其發(fā)光區(qū)由多量子阱組成，發(fā)光區(qū)上下兩邊分別由多層四分之一波長厚的高低折射率交替的外延材料形成的DBR，相鄰層之間的折射率差使每組迭層的Bragg波長附近的反射率達到極高（＞99％）的水平，需要制作的高反射率反射鏡的對數(shù)依據(jù)每對層的折射率而定，典型的量子阱數(shù)為1至4個，它們被置于共振腔駐波圖形的最大處附近，以便獲得最大的受激輻射效率而進行來回反射與震蕩。出射光方向可以是頂部或襯底，這主要取決于襯底材料對所發(fā)出的激射光是否透明以及上下DBR究竟那一個取值更大一些。

圖九 VCSEL的結(jié)構(gòu)示意圖電流限制技術(shù)

為了達到比LED更低的功耗，限制VCSEL中的電流，達到低閘值電流，可以達到器件低電流，高效率的目的。

如圖十所示，有三種主要的方法來限制VCSEL中的電流，依照其特性分成三種：掩埋隧道結(jié)VCSEL，離子植入VCSEL和氧化型VCSEL。

圖十（a）為第一種結(jié)構(gòu)，掩埋隧道結(jié)VCSEL由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且需要使用分子束外延MBE制造，量產(chǎn)困難，目前僅止于學(xué)術(shù)研究。在上世紀(jì)90年代前期，電子通訊公司較傾向于使用離子植入的VCSEL。如圖十（b）所示，通常使用氫離子H＋植入VCSEL結(jié)構(gòu)中，除了共振腔以外，其它區(qū)域用離子植入破壞共振腔周圍的晶格結(jié)構(gòu)，使電流被限制，缺點是光限制效果不好。所以上世紀(jì)90年代中期以后，這些公司們紛紛進而使用氧化型VCSEL的技術(shù)。如圖十（c）所示，氧化型VCSEL是利用VCSEL共振腔周圍材料的氧化反應(yīng)來限制電流，因此在氧化型VCSEL中，電流的路徑就會被氧化共振腔所限制。

圖十 三種不同的限制VCSEL電流的技術(shù)與結(jié)構(gòu)示意圖

目前業(yè)界主流技術(shù)已經(jīng)大部分轉(zhuǎn)至氧化型VCSEL結(jié)構(gòu)器件，但是也產(chǎn)生了生產(chǎn)上的困難。要將AlAs砷化鋁氧化成Al2O3氧化層的氧化率與鋁的含量有非常大的關(guān)系。只要鋁的含量有些微的變化，就會改變其氧化率而導(dǎo)致共振腔的規(guī)格會過大或過小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格。

不過這個困難在這次論壇有了讓人雀躍的好消息，法國的AET Technology公司設(shè)計了一臺可以精密控制氧化速率的設(shè)備，適用于六寸芯片量產(chǎn)，精密控制氧化過程可以省去過去工程師用試錯修正來調(diào)試參數(shù)，讓VCSEL在批量生產(chǎn)良率跨入了一個里程碑。

為什么說面射型激光商機無限？

由于VCSEL是光從垂直于半導(dǎo)體襯底表面方向出射的一種半導(dǎo)體激光器，具有模式好、低閘值電流、穩(wěn)定性好、壽命長、調(diào)制速率高、集成高、發(fā)散角小、耦合效率高、價格便宜等很多優(yōu)點。因為在垂直于襯底的方向上可并行排列著多個激光器，所以非常適合應(yīng)用在并行光傳輸以及并行光互連等領(lǐng)域，VCSEL可以用來在光纖網(wǎng)絡(luò)中高速傳輸數(shù)據(jù)。

其相比傳統(tǒng)電纜系統(tǒng)可以以更快的速度傳輸更大的數(shù)據(jù)量。速度達到每秒40G，是這一領(lǐng)域美國目前的最高速度紀(jì)錄。由于其體積很小，這種VCSEL裝置還擁有很高的能源效率，相比傳統(tǒng)的電線要節(jié)能100倍。但與此同時其傳輸數(shù)據(jù)的精確性也非常高。

目前VCSEL以空前的速度成功地應(yīng)用于單通道和并行光互聯(lián)，以它很高的性能價格比，在寬帶以太網(wǎng)、高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)中得到了大量的應(yīng)用，因此VCSEL已經(jīng)是大數(shù)據(jù)中心的互聯(lián)最重要的傳輸器件。

同理未來物聯(lián)網(wǎng)（IOT）、智慧屋（Smart House）的數(shù)據(jù)中心傳輸（Data Center Comm．）與感應(yīng)端監(jiān)控，VCSEL會是主角。而將來需要高速傳輸?shù)?HDMI 、 HD TV、 USB 3．1 Type C 10G以上、Optical –Modem都需要VCSEL。

甚至虛擬實境VR、虛擬鍵盤VCSEL都會占據(jù)一席之地。

圖十一 大數(shù)據(jù)中心與云計算數(shù)據(jù)庫

未來需要大量的數(shù)據(jù)傳輸，這里是google與face book的big data center

未來VCSEL的其它應(yīng)用：傳感器與數(shù)據(jù)傳輸是VCSEL的最大應(yīng)用，如表一所示，VCSEL相比LED有更優(yōu)越的性能，以我們常用的手機為例，由于智慧手機里的接近傳感器，當(dāng)你接電話臉靠近屏幕時，屏幕燈會熄滅，并自動鎖屏，可以防止臉部誤操作，當(dāng)你臉離開時，屏幕燈會自動開啟，并且自動解鎖。 智能手機中大量使用LED式接近傳感器，在手機接近面頰時關(guān)閉屏幕以免誤操作。如果我們利用VCSEL激光傳感器，可以做出更低功耗更精確距離檢測的手機接近傳感器。同理，未來很多需要傳感器的設(shè)施與設(shè)備，VCSEL絕對會是最好的選擇。

表一 850nm的LED與VCSEL的性能與特性比較表未來如果VCSEL的性價比接近LED，加上VCSEL優(yōu)越的性能，下列產(chǎn)品未來將是VCSEL的天下，

3C產(chǎn)品 ： 近距離感測（Proximity Sensor， PS）、手勢遙控（Gesture）、 3D Camera、激光自動對焦拍照（Laser Auto Focus， TOF）、無線耳機、虹膜辨識 （臉部辨識）。

自動化感應(yīng)： 空拍機降落偵測、自動掃地機、工業(yè)4．0 自動化感測、無人駕駛車、機器人。

安全保護：電梯安全裝置、眼睛保護裝置、 夜間監(jiān)視器、汽車夜視功能。

光學(xué)觸控面板： ATM、教學(xué)、中大型面板。

想象一下未來的機器人時代，所有的機器人需要大量的傳感器，靈活的機器人更需要速度更快，耗能更低的傳感器，VCSEL在未來的機器人時代將扮演非常重要的角色。

交通大學(xué)藍光GaN VCSEL的最新突破對面射型激光有什么影響？

在會議期間，我與新竹交通大學(xué)教授討論了他們實驗室研發(fā)出的世界第一顆藍光VCSEL到底未來會有什么應(yīng)用，如圖十二所示，氮化鎵藍光VCSEL初期技術(shù)突破確實可喜，但是制造藍光VCSEL確實很困難，雖然藍光VCSEL可以搭配塑料材料的光纖，對光纖成本可以大幅度的降低，尤其是未來大數(shù)據(jù)中心需要大量的光連接，如果藍光VCSEL在工藝與成本可以突破，前景可期。

圖十二 交通大學(xué)的藍光VCSEL結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)圖

目前交通大學(xué)已經(jīng)不用復(fù)雜的外延工藝生長氮化鋁／氮化鎵的DBR結(jié)構(gòu)制作藍光VCSEL，他們的實驗室團隊變換思路采用剝離襯底的氮化鎵薄膜結(jié)構(gòu)，利用晶片貼合技術(shù)將氮化鎵薄膜貼合氧化物DBR，新的藍光VCSEL不論在光效上或制造成本與良率控制上都取得關(guān)鍵性的突破，藍光VCSEL搭配塑料光纖，這樣的前景值得期待，尤其是我們身處的物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)云計算時代。

（我在臺灣參加2017年VCSELs（面射型激光）創(chuàng)新技術(shù)與應(yīng)用研討會）

LED已經(jīng)是一個很成熟的產(chǎn)業(yè)，激光LD與VCSEL應(yīng)用正在起飛，對于未來，我們需要新思維，新技術(shù)來迎接光電的新時代，希望這篇文章可以讓LED技術(shù)從業(yè)者改變你的想法，開創(chuàng)屬于你們的輝煌時代。