淺析VCSEL的相關應用

簡介

VCSEL是一種新型的半導體激光器，它與DBR、DFB、F－P腔激光器端面發(fā)射激光器不同，它的注入電流方向與腔軸平行，出射光束垂至于芯片表面，導致了它具有與眾不同的特點：

（1） 光垂直方向出射，體積小，適合光互聯(lián)和并行信息處理，易于實現(xiàn)高密度二維平面陣列。

（2） 發(fā)散角小，近場、遠場呈圓形分布，與多模光纖的耦合效率高于90％。

（3） 光腔極短（約于3－5 ），縱模間距大（FSR: ），線寬小（0.35nm），溫度系數(shù)小（0.06nm/℃ ），可在較寬范圍內(nèi)實現(xiàn)動態(tài)單縱模工作。

（4） 諧振腔體積小，自發(fā)輻射因子比普通邊發(fā)射激光器高幾個數(shù)量級（ ），易于產(chǎn)生微腔效應，產(chǎn)生極低閾值激射（亞毫安級）。

此外，VCSEL不用解理外延片來形成諧振腔，無額外的腔面鍍膜工序，所有的制造和測試都是在外延片上進行，所以提高了生產(chǎn)效率和成品率，極大的降低了成本。美中不足的是，VCSEL目前還是基于GaAs工藝，不能與通用的CMOS芯片直接耦合。

背景：

瑞士新創(chuàng)公司BeamExpress日前研制出一種針對長波長單模VCSEL的高量產(chǎn)生產(chǎn)工藝，該公司創(chuàng)始人兼首席科學家Eli Kapon先生在本文中簡要地分析了這種技術。

垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）目前應用于各種不同領域，相比邊發(fā)射激光器而言擁有諸多優(yōu)勢，特別要指出的是VCSEL激光器擁有更低的電子功率損耗，純凈的單波長操作，更容易與單模光纖耦合，與其他光元件兼容性好，封裝也更簡單，由于可以實現(xiàn)在片（on-wafer）測試，所以制造成本也獲得了極大的降低。
事實上，短波長（<1 μm）的VCSEL目前已經(jīng)在甚短距（<100 m）數(shù)據(jù)通訊和光互連市場上處于支配地位，目前在傳感器領域的應用也日漸增多。之所以取得如此輝煌的成績主要因為相關的制造技術簡單，可以跟當前的LED制造工藝兼容。這種制造技術依靠GaAs襯底外延技術形成AlGaAs分布布拉格反射層（DBR）和(In)GaAs/AlGaAs量子阱（QW）有源區(qū)。

開始追趕

那些長波長VCSEL，尤其工作在1310nm和1550nm等電信波長上的VCSEL，對于研制那些用在LAN和MAN網(wǎng)絡（網(wǎng)絡跨度在100米到100公里）里的低成本、波長可控的光源來說是一個非常吸引人的解決方案。不過這些長波長發(fā)射器的研制工作相比短波長的VCSEL落后了許多。原因是多方面的，比如說人們?yōu)榱双@得最好的器件性能，往往需要GaAs/AlGaAs DBR來提供一個更大的體系折射率差，更高的熱傳導系數(shù)，以及在100°C仍有很高光增益的InP QW有源區(qū)，所有這些要求都面臨很多挑戰(zhàn)。

當我們要研制一種在70-90 °C溫度下發(fā)射功率至少要達到1-2 mW的VCSEL時，要解決研制過程中所出現(xiàn)的挑戰(zhàn)，采用類似III-V半導體材料的化合物就顯得非常重要。上面所描述的性能其實對確保企業(yè)數(shù)據(jù)和電信網(wǎng)絡的可靠運作非常重要，而企業(yè)和電信市場正是被看作是長波長VCSEL的最大應用市場。

為了解決傳統(tǒng)外延工藝混合GaAs和InP結構所面臨的困難，人們研制了許多新技術來制造這種器件。如高應變量子阱（QW）或量子點GaAs/InGaAs有源區(qū)；稀釋氮化物的GaInNAs/GaAs有源區(qū)；基于InP的變質(zhì)DBR；配有InP有源區(qū)的電介質(zhì)反射鏡。盡管這些技術都獲得了相當大的進步，不過它們依舊存在諸多方面的限制，如發(fā)射波長的選擇，單模輸出功率等方面。

?vcsel技術進展

　　最近從IEEE Communications Magazine 2003 February一期第S30頁看到美國加州大學(UC Berkeley)EECS教授發(fā)表的關于長波長VCSEL的進展和前景的文章，覺得VCSEL在近年已有明顯的進展，而且很可能在未來光纖通信所用光電子器件中發(fā)揮很好的實際應用，有著光輝的前景. 1 0.85 μm VCSEL

　　最初在1990年～1995年期間制成的VCSEL是供短波長0.85 μm通信使用.主要是用于局域網(wǎng)(LAN)的多模光纖通信，可能有助于組成Gbit/s的Ethernet.每個激光管均由圓片制成，多個激光管具有不同的激光波長可以方便地排成陣列，供多路通信使用，優(yōu)于早先使用的發(fā)光管LED. 0.85 μm VCSEL是由兩層分布布拉格反射體(DBR，Distrbuted Bragg Reflector)和中間空腔層構成.空腔層中心是包含多個量子阱的有源區(qū)，注入電流就是經(jīng)過導流結構進至有源區(qū)，整個空腔可以在GaAs襯底上一次處延生長.因此這種激光管可以用圓片制造和測試，而這種制造技術是與發(fā)光管LED相似的.

　　制造0.85 μm VCSEL的關鍵技術是簡單外延和頂面發(fā)射，就是說，整個激光管結構的生長只是一步處延，這就可能增加器件的均勻性，并縮短圓片器件的處理和試驗時間.而且，從圓片表面外延邊的頂部發(fā)射可以容許在器件包裝前測試圓片.這些是當初0.85 μm VCSEL制造的特點和優(yōu)點，對于后來制造長波長1.3和1.55 μm VCSEL起到了很好的參考作用.

2　1.3 μm VCSEL

　　為了制成長波長1.3～1.55 μm的VCSEL，就應先考慮合適的材料，具體地說，1.3 μm的VCSEL應選用半導體Ga1-xInxNyAs1-y作為有源區(qū)，以與GaAs襯底相匹配.其中In的x和N的y成份還可以適當調(diào)整。如加大In和N的成份，就使直接帶隙減小，一般地說，典型的1.3 μm發(fā)射需要35%～38%的In和1.5%～2.0%的N.但這樣的考慮曾經(jīng)遇到限制，如利用MOCVD和MBE制成VCSEL，最多只能在1.2 μm獲得良好性能.但后來經(jīng)過精心研究，這種限制得到克服，成功地制成頂部發(fā)射的單模VCSEL，波長為1.293 μm，輸出功率1.4 mW，能在25℃連續(xù)波運用.電注入是通過橫向腔的觸點，電流就局限于小孔徑內(nèi).DBR是用GaAs/AlAs層.這樣的實驗曾證明激光管能夠接受數(shù)字調(diào)制達到10 Gbit/s的速率.另外又有實驗把波長再提高到1.55 μm，在較高門限密度進行脈沖運用.

　　上述GaInNAs的VCSEL材料包含N，因而當波長稍增加時將使功率性能顯著降低.為了克服這種困難，最近考慮加入Sb，具有GaInNAsSb有源區(qū)的VCSEL，可在波長1.3 μm工作，CW輸出功率在20℃為1 mW，甚至可在高溫80℃情況下運用.這樣的VCSEL結構利用p的DBR和氧化物孔徑，對于長波長激光管很有用，甚至同樣適合于1.55 μm的運用.

　　1.3 μm的VCSEL曾經(jīng)考慮利用InGaAs的量子點(QD，Guantum dots)的有源區(qū).這種利用量子點的辦法可能改進光電子器件的性能，提高增益也便于調(diào)整激光波長.最近制成的1.3 μm QD-VCSEL能夠發(fā)射1.25 mW的功率，并在室溫條件供CW運用，它的DBR是利用GaAs/AlOx，電流注入和局限于AlOx孔徑.

　　1.3 μm VCSEL的有源區(qū)也曾經(jīng)考慮利用GaAsSb量子阱在GaAs襯底上生長，但因失配較大，很少的量子阱能被利用.最近有報道稱1.23 μm VCSEL利用兩個GaAs0.665Sb0.335的量子阱作為有源區(qū)，又用GaAs/AlGaAs作為DBR，與AlOx作為電流局限孔徑.這樣能夠得到0.7 mA的門限電流，但輸出功率很小，僅0.1 mW.

3　1.55 μm VCSEL

　　對于波長在1.45～1.85 μm范圍內(nèi)的VCSEL，曾將InGa(Al)As/InAlAs用于底部的DBR，并用介質(zhì)/Au于頂部的DBR，產(chǎn)生InGa(Al)As的量子阱，并與InP襯底格匹配.近來將原有設計再加改進：在有源區(qū)的頂上，利用n+p+p隧道形讓電流注入.又生長埋藏的異質(zhì)結構，以局限橫向電流.這樣的埋藏隧道連接(BTJ)可以獲得高效的電流注入，并導致很低的門限電壓和電阻，而且，用了1.5～2.5對的介質(zhì)鏡，直接裝在金的散熱架上，使反射率高達99.5%～99.8%，而且散熱少，對于激光管功率和溫度性能有利.最后將襯底除去，以減小光損失，并從襯底邊獲取激光發(fā)射，這樣由底部發(fā)射的發(fā)射波長為1.55 μm的VCSEL如用5 μm孔徑，發(fā)射單聲橫向模，在CW運用20℃可得最大功率0.72 mW.如用17 μm孔徑，就可發(fā)射2 mW，得到的最大激光溫度約為110℃.

　　另一方案是DBR采用AlAsSb和GaAsSb，它們的較大帶隙能量差可以導致較大的折射率差，對DBR很適合.在1.55 μm，AlGaAsSb/AlAsSb的折射率差約15%，這幾乎相當于AlAs/GaAs的折射率差，大于InGaAs/InAlAs的7.8%和InP/InGaAsP的8.5%.不過，它們的導熱性能比GaAs和AlAs差得多.用于AlGaAsSb/AlAsSb作為DBR，底部發(fā)射的1.55 μm VCSEL只要一次MBE生長就可制成，但這種結構的有源區(qū)需要散熱措施.這樣，可以制成在室溫的CW運用，例如在25℃發(fā)射0.9 mW，最高溫度可以用到88℃.

　　又一方案是DBR采用InP/空氣隙，折射率差很大，但導熱率太差，須具備足夠有效的導熱措施.曾經(jīng)用這種方案制成1.55 μm VCSEL，可提供1.0 mW的單模輸出功率，并能在25℃適合CW運用；再有一個方案是DBR采用GaAs/AlGaAs，折射率差大，導熱率也高.但AlGaAs的DBR與InP的有源區(qū)的圓片熔合可靠性不是太好，須采用特殊措施加以改進.這就是使有源區(qū)在InGaAlAs的DBR頂部形成，有一層空腔作為緩沖層，然后沉積松馳的GaAlAs的DBR，好像是介質(zhì)鏡.這樣從頂部發(fā)射的VCSEL可以適用于1.53～1.62 μm，在15℃發(fā)射1.4 mW的單模輸出功率.

　　最近，結合使用微機械結構，制成了1.55 μm可連續(xù)調(diào)諧的VCSEL，調(diào)諧范圍為22 nm，邊模抑制比SMSR大于45 dB.而且這樣的可調(diào)諧1.55 μm VCSEL可以接受數(shù)字信號2.5 Gbit/s的調(diào)制，并能在900 nm波長范圍內(nèi)運用，在175 μs以內(nèi)鎖定波長.這種可調(diào)諧的、而且調(diào)諧性能優(yōu)良的1.55 μm VCSEL在結構和工藝上，近年還在繼續(xù)不斷地改進以期獲得更好的性能，滿足實際應用的需要.

4　應用前景

　　近年來，光纖通信技術正在快速向前發(fā)展.短波長0.85 μm適合于局域網(wǎng)多模光纖傳送計算機數(shù)字通信的應用.長波長1.3 μm適合于中短距單模光纖傳送模擬圖視通信的應用.長波長1.55 μm因具有很寬的低損耗、低色散波段，適合于長途多路通信的應用，尤其在這些波段容許光纖加裝密集波分復用(DWDM)系統(tǒng)，使每根單模光纖同時傳送多路不同波長的光載波，而每一光載波可各自受電數(shù)字信號的調(diào)制，因而一根光纖具有很大的數(shù)字信號傳輸容量.這樣，可調(diào)諧的多波長激光管VCSEL陣列符合1.55 μm的需要，可以發(fā)揮很大作用，且具有極其美好的發(fā)展前景.