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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，適合光互聯和并行信息處理，易于實現高密度二維平面陣列。

（2） 發散角小，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?。?.35nm），溫度系數?。?.06nm/℃ ），可在較寬范圍內實現動態單縱模工作。

（4） 諧振腔體積小，自發輻射因子比普通邊發射激光器高幾個數量級（ ），易于產生微腔效應，產生極低閾值激射（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：

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

垂直腔表面發射激光器（VCSEL）目前應用于各種不同領域，相比邊發射激光器而言擁有諸多優勢，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目前已經在甚短距（<100 m）數據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。

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網絡（網絡跨度在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，比如說人們為了獲得最好的器件性能，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，以及在100°C仍有很高光增益的InP QW有源區，所有這些要求都面臨很多挑戰。

當我們要研制一種在70-90 °C溫度下發射功率至少要達到1-2 mW的VCSEL時，要解決研制過程中所出現的挑戰，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數據和電信網絡的可靠運作非常重要，而企業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；稀釋氮化物的GaInNAs/GaAs有源區；基于InP的變質DBR；配有InP有源區的電介質反射鏡。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(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，優于早先使用的發光管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，注入電流就是經過導流結構進至有源區，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，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發射需要35%～38%的In和1.5%～2.0%的N.但這樣的考慮曾經遇到限制，如利用MOCVD和MBE制成VCSEL，最多只能在1.2 μm獲得良好性能.但后來經過精心研究，這種限制得到克服，成功地制成頂部發射的單模VCSEL，波長為1.293 μm，輸出功率1.4 mW，能在25℃連續波運用.電注入是通過橫向腔的觸點，電流就局限于小孔徑內.DBR是用GaAs/AlAs層.這樣的實驗曾證明激光管能夠接受數字調制達到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曾經考慮利用InGaAs的量子點(QD，Guantum dots)的有源區.這種利用量子點的辦法可能改進光電子器件的性能，提高增益也便于調整激光波長.最近制成的1.3 μm QD-VCSEL能夠發射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的有源區也曾經考慮利用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，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范圍內的VCSEL，曾將InGa(Al)As/InAlAs用于底部的DBR，并用介質/Au于頂部的DBR，產生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：在有源區的頂上，利用n+p+p隧道形讓電流注入.又生長埋藏的異質結構，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射，這樣由底部發射的發射波長為1.55 μm的VCSEL如用5 μm孔徑，發射單聲橫向模，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需要散熱措施.這樣，可以制成在室溫的CW運用，例如在25℃發射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，好像是介質鏡.這樣從頂部發射的VCSEL可以適用于1.53～1.62 μm，在15℃發射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可連續調諧的VCSEL，調諧范圍為22 nm，邊模抑制比SMSR大于45 dB.而且這樣的可調諧1.55 μm VCSEL可以接受數字信號2.5 Gbit/s的調制，并能在900 nm波長范圍內運用，在175 μs以內鎖定波長.這種可調諧的、而且調諧性能優良的1.55 μm VCSEL在結構和工藝上，近年還在繼續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展.短波長0.85 μm適合于局域網多模光纖傳送計算機數字通信的應用.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，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字信號的調制，因而一根光纖具有很大的數字信號傳輸容量.這樣，可調諧的多波長激光管VCSEL陣列符合1.55 μm的需要，可以發揮很大作用，且具有極其美好的發展前景.