大功率垂直腔面发射激光器用于激光显示.doc

大功率垂直腔面发射激光器用于激光显示2009-12-03|【大中小】eVCSEL光源展现更丰富的色彩电泵浦的垂直腔表面发射激光器可以产生明亮、纯净的红、绿、蓝光,能用于背投电视。激光光源在背投电视领域的应用,吸引了众多厂商去研究:如何使家庭影视实现真彩色以及达到剧院效果。借助数字光处理(DLP)芯片或采用改进的液晶面板,目前用微显示技术可制造出尺寸达70英寸(对角线尺寸)的高质量显示屏。这些屏幕由传统的超高压***灯照明,这种***灯在亮度、色彩重现及使用寿命方面还有些不足。激光器可以代替***灯与DLP或其他调制器一起使用,激光器作为光源具有几项优势。最大线宽只有几个纳米的激光使色彩数量比现有的色彩标准增加了30%到40%。过去所需的彩色滤光片现在也可略去,这提高了光调制系统的工作效率;相关的紫外和红外发射器也可免去,工作寿命也显著延长(超过10000小时),同时,较好的方向性和较小的发散角也有利于光耦合。激光虽具有上述优点,但它作为背投电视光源却未能商业化,这主要是由于它成本过高及红光、绿光、蓝光激光器在封装上的难度较大。而PrincipiaLightworks研制成功了一种电子泵浦的垂直腔表面发射激光器(VCSEL)(见图1),;电子束的扫描方式类似于阴极射线管(上图)eVCSEL产生高质量的红光、绿光、蓝光(下图)他们称它为eVCSEL,其价格较低,有望应用到背投电视上。这种激光器可以安装在很薄的背投电视里。eVCSEL腔内含有增益层,它由块状单晶半导体或多量子阱结构组成,后者通过标准的外延沉积技术制备,如金属-有机物化学气相沉积技术。增益层位于一个高反射率镜子和一个输出耦合器的夹层内,其厚度为5到10μm,面积约为2cm2。eVCSEL产生红色激光的量子阱增益层材料为InGaP/AlGaInP;产生绿光的材料为ZnCdSe/ZnSSe;产生蓝光的为ZnSSe/ZnMgSSe。半导体由体结构的单晶晶圆制造,分别用CdSSe、CdS和ZnSSe等来制备相应的红光、绿光和蓝光材料。由于eVCSEL的发散角约为30度,并且是通过电子束来扫描激光介质的,因而空间相干及相应的光斑现象实际上就从源头上消除了。载流子由阴极射线管发出的扫描电子束注入。为了减少反射及增加腔体受激体积,电子束由永久磁场作了90度偏转。扫描斑点的直径为10到60μm,加速电压为35kV,电子束电流为2mA。有一些因素对于电子束的直径大小很重要,比如,为了让eVCSEL的性能达到最优,让激光出射方向垂直于发射层尤为重要,这要求电子束的直径小于60μm。但是当电子束直径小于10μm时,衍射损耗将占据主导地位,这导致了激光阈值的上升。Principia制备的eVCSEL中,电子束直径为25μm,使用了预聚焦电极进行聚焦,电子束的直径很稳定,电流为2mA。红绿蓝eVCSEL可放置在单个阴极射线管内,由同一电子束依次扫描,或者放置在三个电子束的系统内,同时接受扫描。VCSEL发展起源1977年,日本东京工业大学以KENICHII为首的研究小组首次提出垂直腔面发射激光器(Vertical-CavitySurface-EmittingLasers,VCSELs)的概念,并于1979年实现InGaAs/InPVCSELs在低温下脉冲激射,1984年,实现了VCSELs的室温连续脉冲工作。1991年,California大学GEELRS等人实现980nm、InGaAs/GaAsVCSELs室温连续激射。1996年,Honeywell推出了世界上第一支商品化850nmVCSELs器件,随后Emcore、Picolight等公司也相继开始提供VCSELs产品。1997年,sov为首的研究小组第一次实现了以半导体激光器泵浦InGaAs/GaAs垂直外腔面发射激光器(Vertical-External-CavitySurface-EmittingLasers,VECSELs)产生980nm激光输出。,532nmVECSELs器件。VCSELs器件结构典型的VCSELs器件如图2所示。中间是有源区,一般由量子阱组成;有源区的两侧是限制层,夹在两个高反镜(分布式布拉格反射镜,DBR)之间;DBR由厚度为λ/4的两种折射率差异较大的材料交替生长而成,%~%之间;在衬底和P型DBR的外表面需要制作金属接触层,形成欧姆接触,并在衬底上制成一个圆形出光窗口,输出圆形的激光束。通常P型DBR与有源区之间有一个AlAs层,这一层经选择氧化后变成低折射率的牢固的隔离氧化物Al2O3,形成氧化限制层,这样就可以减少横向电流扩展效应,达到对有源区电流的限制。