一文揭曉 LD 真的有這麼神奇嗎?

看過科幻片的朋友,一定忘不了星際大戰裡的雷射武器吧!絕地武士們手持光劍用力一揮,任何堅硬的金屬都會應聲而斷,在電影惡靈古堡中,網狀的雷射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」,聽起來有點噁心,到底什麼是雷射呢?雷射真的有這麼神奇嗎?

  形成「雷射」,先完成兩個重要步驟 

「雷射(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(Pumping)」,第二個是「共振放大(Resonance)」:

>>>能量激發(Pumping)

固體雷射(大多使用光激發光)屬於「原子發光」,前面曾經介紹過原子發光的原理為,外加能量(光能或電能)激發摻雜原子的電子由內層能級跳到外層能級,當電子由外層能級跳回內層能級時,將能量以光能的型式釋放出來,如圖二(a)所示。半導體雷射(大多使用電激發光)則是屬於「半導體發光」,前面曾經介紹過半導體發光的原理為:外加能量(光能或電能)激發半導體的電子由價帶跳到導帶,當電子由導帶跳回價帶時,將能量以光能的型式釋放出來,如圖二(b)所示。

要發出雷射,受激輻射是最基本的條件,如圖二(c)所示,能量激發有「光激發光(PL)」或「電激發光(EL)」二種方式,不論使用那一種方式都可以產生雷射,光激發光(PL)是外加光能使電子跳躍;電激發光(EL)則是外加電能使電子跳躍,將在後面詳細介紹。



圖二 能量激發的原理。

>>>諧振放大(Resonance)

在發光區外加一對「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,不停地通過發光區吸收光能,最後產生諧振效應,使光的能量放大。

光激發光(PL:Photoluminescence)
我們以「鈦藍寶石雷射(Ti Sapphire laser)」為例,先在藍寶石內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(發出某一種波長的光)對著晶體照射,當晶體吸收光能產生「能量激發(Pumping)」,則會發出另外一種波長(顏色)的光。發射出來的光經由左右兩個反射鏡來回反射產生「諧振放大(Resonance)」,由於右方的反射鏡設計可以穿透5%的光,所以高能量的雷射就會由右方穿透射出,如圖三(a)所示。

電激發光(EL:Electroluminescence)我們以「砷化鎵雷射二極管(GaAs laser diode)」為例,先在砷化鎵雷射二極管芯片(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,當芯片吸收電能產生「能量激發(Pumping)」,則會發出某一種波長(顏色)的光。發射出來的光經由左右兩個晶體鏡面反射鏡來回反射產生「諧振放大(Resonance)」,由於右方的反射鏡設計可以穿透5%的光,所以高能量的雷射光束就會由右方穿透射出,如圖三(b)所示。



圖三 雷射產生的原理。

  哪一種雷射最深刻影響我們的生活? 

雷射的種類可以分為:氣體雷射、液體雷射、固體雷射與半導體雷射,嚴格來說,半導體雷射也是固體雷射的一種,但是由於目前商業上半導體雷射的使用量很大,例如:光學讀取頭、光通訊光源、雷射指示器等,所以雷射已經深刻影響著我們的生活,而雷射二極管又可以分為邊射型雷射與面射型雷射,這次參加2017年VCSELs(面射型雷射)創新技術與應用研討會的主題就是面射型雷射。在進入主題前,我還是恢復我的風格,用科普式的語言說起!

>>>雷射二極管(LD:Laser Diode)

1、雷射二極管的定義

前面介紹的四種雷射,只有半導體雷射的體積最小,成本最低,而且只需要外加一顆小小的電池就可以使用,因此可以廣泛地應用在各種電子產品中 。

2、雷射二極管的種類

雷射二極管(LD)的構造如圖四(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,這麼小的一個芯片就可以發出很強的光,由於雷射二極管的芯片很小,所以一片兩吋的砷化鎵晶圓就可以製作數千個芯片,切割以後再封裝,形成如圖四(b)的外觀,雷射二極管的製程與硅晶圓的製程相似,都是利用黃光微影、摻雜技術、蝕刻技術、薄膜成長製作。



圖四 邊射型雷射二極管LD的外觀與構造。

雷射二極管有很多的應用,我在去年八月第一篇行家說文章已經介紹了雷射的顯示與照明兩個用途,並且分析了這兩個用途的前景尤其是氮化鎵綠光雷射成功之後可能的雷射電視與雷射投影前景。而雷射照明的應用也特別介紹了雷射用在汽車照明的未來。(雷射會是下一代照明與顯示的主角嗎?)今天這兩項應用也得到了諾貝爾物理獎中村修二教授的鼓吹,相信大家都已經有了比較輪廓式的瞭解。

今天我會把主題放在原理與製程跟LED比較相近的面射型雷射VCSEL的介紹,也許大家會比較陌生,但是認識這項技術與它的應用前景對從事光電行業的人會有很大的幫助,當然我在台灣參加2017年VCSELs(面射型雷射)創新技術與應用研討會之後,在我的微信朋友圈承諾要帶一些干貨給廣大的讀者,現在就給大家分享分享這個雷射新技術與未來它的無限前景!



(Kenichi Iga教授是VCSEL的首次提出者)

  面射型雷射最初應用的光通信產業是怎麼回事? 

由於面射型雷射VCSEL最初的應用是光通信產業,所以當然首先要介紹光通信產業。

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

>>>光的主動組件

光的主動組件是指「負責光訊號的產生與接收的組件,與光電能量的轉換有關」,產生光訊號通常是指將電能轉換成光能;接收光訊號通常是指將光能轉換成電能。由於一般數據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據,所以當我們要將數據傳送到光纖網絡時,必須先將電訊號轉換成光訊號,如圖五 所示,圖中傳送端「光發射模塊(Transmitter)」的功能就是將電訊號轉換成光訊號,我們可以想像成它是將電訊號的「0」與「1」轉換成光訊號的「暗」與「亮」,光訊號在光纖中經過了數百公里的傳送以後,到達接收端,這個時候必須將光訊號轉換成電訊號,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換成電訊號,我們可以想像成它是將光訊號的「暗」與「亮」轉換成電訊號的「0」與「1」,再交給計算機進行處理與運算,這就是整個光纖網絡與計算機工作的基本原理。



圖五 光纖網絡與計算機工作的基本原理。

光的主動組件包括下列幾種,此次主題是雷射二極管,其它組件將會在未來開專題詳細介紹:
♦ 雷射二極管(LD):將電訊號轉換成光訊號。
♦ 光放大器(Amplifier):放大光訊號。
♦ 光偵測器(Detector):將光訊號轉換成電訊號。

>>>光的被動組件

光的被動組件是指「負責光訊號的傳遞與調變的組件,與光電能量的轉換無關」。光的被動組件包括下列幾種,未來我將會開專題詳細介紹:
♦ 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。

♦ 光電調製器(Modulator):調變光訊號。

♦ 波長多任務器(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、數組波導光柵與光纖光柵等三種技術。

  面射型雷射有哪些特殊製程與LED區別較大? 

回到主題了,現在開始介紹雷射二極管,雷射二極管用波長來分類,應用會有很大的差別,目前可見光雷射大部分應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,為什麼光通信大部分使用紅外光雷射呢?如圖六(a)所示,由於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波長的雷射也常常用於中長距離光纖通訊用光源。而紅外的850nm與980nm光源也被使用於較短距離的末端網絡系統,由於用量大,要求低,所以也常常用紅外LED代替雷射。



圖六 硅基光纖(SiO2)在不同發射光譜的衰減與色散示意圖

色散的定義:光纖的輸入端光脈衝信號經過長距離傳輸以後,在光纖輸出端,光脈衝波形發生了時域上的展寬,這種現象即為色散。

由於寬帶與大數據系統要求越來越多的數據傳輸,如圖七所示,光通信的發光元器件又可以分類為LED,邊射型與面射型雷射二極管LD三種,圖七為三種發器件的構造與原理,圖七(a)的LED除了可以用於照明與顯示以外,紅外光LED也是早期常用的光通信末端器件,製造簡單與價格比雷射便宜是LED的優勢。

圖七(c)是VCSEL的結構圖,VCSEL是垂直共振腔面射型雷射(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)的簡稱,是一種半導體雷射,其發光垂直於頂面射出, VCSEL芯片相比邊射型雷射二極管,製程比較簡單,如圖七(b)所示,VCSEL與雷射由邊緣射出的邊射型雷射二極管有所不同。
雷射真的有這麼神奇嗎?



圖七 LED,邊射型雷射LD與面射型雷射VCSEL三種發光器件的結構示意圖

面射型雷射二極管VCSEL與LED製程很相近,但是兩個特殊製程與LED區別較大,一個是DBR反射層形成共振腔鏡面的製程技術,另一個就是限制電流的氧化技術。

>>>DBR反射鏡技術

典型的VCSEL結構如圖九所示,其發光區由多量子阱組成,發光區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,需要製作的高反射率反射鏡的對數依據每對層的折射率而定,典型的量子阱數為1至4個,它們被置於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盪。出射光方向可以是頂部或襯底,這主要取決於襯底材料對所發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的結構示意圖

>>>電流限制技術

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VCSEL,離子植入VCSEL和氧化型VCSEL。

圖十(a)為第一種結構,掩埋隧道結VCSEL由於結構複雜,而且需要使用分子束外延MBE製造,量產困難,目前僅止於學術研究。在上世紀90年代前期,電子通訊公司較傾向於使用離子植入的VCSEL。如圖十(b)所示,通常使用氫離子H+植入VCSEL結構中,除了共振腔以外,其它區域用離子植入破壞共振腔周圍的晶格結構,使電流被限制,缺點是光限制效果不好。所以上世紀90年代中期以後,這些公司們紛紛進而使用氧化型VCSEL的技術。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電流的技術與結構示意圖

目前業界主流技術已經大部分轉至氧化型VCSEL結構器件,但是也產生了生產上的困難。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係。只要鋁的含量有些微的變化,就會改變其氧化率而導致共振腔的規格會過大或過小於標準規格。

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公司設計了一台可以精密控制氧化速率的設備,適用於六寸芯片量產,精密控制氧化過程可以省去過去工程師用試錯修正來調試參數,讓VCSEL在批量生產良率跨入了一個里程碑。

  為什麼說面射型雷射商機無限? 

由於VCSEL是光從垂直於半導體襯底表面方向出射的一種半導體雷射器,具有模式好、低閘值電流、穩定性好、壽命長、調製速率高、集成高、發散角小、耦合效率高、價格便宜等很多優點。因為在垂直於襯底的方向上可並行排列著多個雷射器,所以非常適合應用在並行光傳輸以及並行光互連等領域,VCSEL可以用來在光纖網絡中高速傳輸數據。

其相比傳統電纜系統可以以更快的速度傳輸更大的數據量。速度達到每秒40G,是這一領域美國目前的最高速度紀錄。由於其體積很小,這種VCSEL裝置還擁有很高的能源效率,相比傳統的電線要節能100倍。但與此同時其傳輸數據的精確性也非常高。

目前VCSEL以空前的速度成功地應用於單通道和並行光互聯,以它很高的性能價格比,在寬帶以太網、高速數據通信網中得到了大量的應用,因此VCSEL已經是大數據中心的互聯最重要的傳輸器件。

同理未來物聯網(IOT)、智慧屋(Smart House)的數據中心傳輸(Data Center Comm.)與感應端監控,VCSEL會是主角。而將來需要高速傳輸的 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都會佔據一席之地。



圖十一 大數據中心與云計算數據庫未來需要大量的數據傳輸,這裡是google與face book的big data center

未來VCSEL的其它應用:傳感器與數據傳輸是VCSEL的最大應用,如表一所示,VCSEL相比LED有更優越的性能,以我們常用的手機為例,由於智慧手機裡的接近傳感器,當你接電話臉靠近屏幕時,屏幕燈會熄滅,並自動鎖屏,可以防止臉部誤操作,當你臉離開時,屏幕燈會自動開啟,並且自動解鎖。 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閉屏幕以免誤操作。如果我們利用VCSEL雷射傳感器,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施與設備,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優越的性能,下列產品未來將是VCSEL的天下:
♦ 3C產品:近距離感測(Proximity Sensor, PS)、手勢遙控(Gesture)、 3D Camera、雷射自動對焦拍照(Laser Auto Focus, TOF)、無線耳機、虹膜辨識 (臉部辨識)。
♦ 自動化感應:空拍機降落偵測、自動掃地機、工業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、 夜間監視器、汽車夜視功能。
♦ 光學觸控面板: ATM、教學、中大型面板。

想像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。

  交通大學藍光GaN VCSEL的最新突破對面射型雷射有什麼影響? 

在會議期間,我與新竹交通大學教授討論了他們實驗室研發出的世界第一顆藍光VCSEL到底未來會有什麼應用,如圖十二所示,氮化鎵藍光VCSEL初期技術突破確實可喜,但是製造藍光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,尤其是未來大數據中心需要大量的光連接,如果藍光VCSEL在製程與成本可以突破,前景可期。



圖十二 交通大學的藍光VCSEL結構與數據圖

目前交通大學已經不用複雜的外延製程生長氮化鋁/氮化鎵的DBR結構製作藍光VCSEL,他們的實驗室團隊變換思路採用剝離襯底的氮化鎵薄膜結構,利用晶片貼合技術將氮化鎵薄膜貼合氧化物DBR,新的藍光VCSEL不論在光效上或製造成本與良率控制上都取得關鍵性的突破,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網大數據云計算時代。

LED已經是一個很成熟的產業,雷射LD與VCSEL應用正在起飛,對於未來,我們需要新思維,新技術來迎接光電的新時代,希望這篇文章可以讓LED技術從業者改變你的想法,開創屬於你們的輝煌時代。(本文作者:廣東德力光電副總經理葉國光)

註:本文首發於行家說APP(hangjiatalk),LEDinside獲得授權轉載。謝絕任何未經許可的轉載。文章僅代表作者個人觀點,不代表本網站立場。

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