光通信|垂直腔面发射激光器,你了解了吗?

今日光电2020-10-18 09:35:58

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本文来源:OFweek激光


光电子技术在网络、存储器等方面的应用与多媒体信息社会的发展息息相关,对信息社会的发展始终起着至关重要的作用。在世界范围内的信息基础设施配置中,人们对以光纤通信为代表的光电子技术寄予厚望。

瞬间传送处理图像等大规模信息技术愈益重要,在并行传递空间信息的超并行光传输系统、连接多台计算机或LSI芯片的并行光互连及光并行信息处理系统中,新兴的并行光电子技术起主导作用。

要实现充分利用光的并行性的系统,大规模地进行二维集成化的并行光器件十分重要。为适应这种需求,人们开始探索一种新型结构的半导体激光器———垂直腔面发射半导体激光器。


垂直腔面发射激光器的结构及特点


所谓垂直腔面发射激光器(VCSEL),是指从垂直于衬底面射出激光的半导体激光器。这种激光器主要有三种结构:(a)45°镜面型;(b)光栅耦合型;(c)垂直腔型(如图1所示)。

图1 各种结构的垂直腔面发射激光器

(a)所示的激光器采用45°倾斜反射镜结构,其反射特性完全依赖于内部反射镜的倾角和平整度,工艺制作困难,且存在光束畸变问题;(b)采用高阶耦合光栅结构,尽管可以获得发散角小的窄细光束,但其反射光的大部分进入了衬底,使效率大幅降低,而且激光束的发散角度随波长变化而变化;(c)为有源区直径及腔长仅为微米量级的微腔结构,容易实现低阈值(Ith),具有较高的微分量子效率;所以,(c)是垂直腔面发射激光器中最理想的结构,而边发射激光器(EEL)是指从平行于衬底面射出激光的半导体激光器。图2是这两种激光器的出光方向对比。

与传统的边发射激光器相比,垂直腔面发射激光器具有诸多优点:

・具有较小的远场发散角,发射光束窄且圆,易与光纤进行耦合;

・阈值电流低;

・调制频率高;

・在很宽的温度和电流范围内均以单纵模工作;

・不必解理,即可完成工艺制作和检测,成本低;

・易于实现大规模阵列及光电集成。

图2 EEL和VCSEL的出光方向对比

典型垂直腔面发射激光器的结构

自1977年Iga提出制作VCSEL的设想,该技术的进展一直比较缓慢,而直到1989年实现室温连续波运行,VCSEL方引起人们的广泛关注。首先是量子阱结构材料生长技术,以及近年来的应变量子阱和应变补偿量子阱结构的引入;其次是高反射率布喇格发射器技术的引入,使其性能得到了更大改善。由于VCSEL具有微腔结构,从而使现行激光器的动态特性得以改善。

图3 垂直腔面发射激光器结构

VCSEL主要结构分为两部分:中心是有源区,包括体异质结和量子阱两种结构;其侧向结构可分为增益导引和环行掩埋异质结两种。有源区上下是反射器:一种是介质膜反射器;另一种是分布布喇格反射器(DBR)。图3为垂直腔面发射激光器结构。

该结构由镜面、有源层和金属接触层组成。2个发射镜分别为n型和p型DBR堆的布喇格发射器。有源区由1~3个量子阱组成。有源区的两侧是限制层,一方面起限制载流子的作用,另一方面调节谐振腔的长度,使其谐振波长正好是所需要的激光波长。在衬底和p型DBR的外表面制作金属接触层,形成欧姆接触,并在p型DBR上制成一个圆形出光窗口,输出圆形的激光束。


垂直腔面发射激光器中的应变量子阱有源区


1975年,第一个量子阱激光器诞生。1982年,贝尔实验室研制成功0.25kA/cm2的量子阱激光器。量子阱激光器的阈值电流现已达到0.2mA;因此,采用量子阱作为半导体激光器和半导体激光放大器的有源区已成为必然趋势。

近年来,应变量子阱结构已用于VCSEL器件的有源层,使器件的性能得到进一步优化。国内已报道的采用应变量子阱结构的VCSEL的阈值电流密度为145A/cm2,国际上已达到低于100A/cm2的水平。

激射波长得到扩展,填补了晶格匹配材料发射波长的盲区,更高的增益系数改善了线宽、调制频率和特征温度等特性。这一系列优点为发展新兴人工改性材料和研制新型光电器件开拓了一个崭新的领域。


垂直腔面发射激光器的制作过程


VCSEL的各个半导体层是采用分子束外延(MBE)或金属有机化学汽相沉积(MOCVD)方法在GaAs衬底上外延生长而形成的,大约需100多层,而每层的厚度只有几纳米。

在晶体生长中每层的厚度必须得到很好的控制,因为它对激射波长和最终的成品率都有重要的影响;因此,在外延过程中要确保整个外延层的均匀性。目前国内在外延生长方面,尤其在生长高反射率的分布布喇格反射器(DBR)方面和国外还有一定的差距。

VCSEL的横向结构通常用刻蚀法形成台面结构,或用质子注入法及特殊氧化法等。这些方法均有各自的优缺点。刻蚀法可分为湿法化学刻蚀和干法刻蚀两种。

近年来,为降低阈值电流和提高效率,优先选用氧化AlAs层的方法。这种方法是在420℃的高温下,用氮气携带80℃的水蒸气对AlAs层中的铝进行氧化,形成AlxOy绝缘层,对载流子进一步限制。


垂直腔面发射激光器的应用


随着光互连及二维光信息处理的发展,对微小尺寸、极低功率和高集成激光器阵列的需求将提上日程。

VCSEL具有高密度、高传输率、高并行光输出及方便地进行二维空间组合的特点,成为理想的集成光电子有源器件和空间光学及光计算机并行处理的关键器件。

VCSEL的高速响应特别适于计算机中的芯片光互连和自由空间光互连。在高速长距离数据传输中,直接调制VCSEL在波长为980nm时传输速率为10Gb/s,长波长1.55μm时传输速率为2.5Gb/s,传输距离达200km。

VCSEL极易实现高密度的平面阵列集成,可用于图像处理与模式识别,还可用于光神经网络计算技术和多值逻辑等新型电路。

VCSEL的谐振腔非常小,因此可做成高速率的光开关。控制二维列阵中各VCSEL的位相可以控制输出光的相干性。通过对各个VCSEL激射光的锁模效应,可以获得方向性很强的大功率激光输出。VCSEL还是各种固体激光器的理想泵浦光源。

它适宜与光纤实现高效率耦合,满足高密度光盘的读写光源的要求。

在光纤通信中,随着局域网带宽的拓展,千兆位以太网对多模光发射器和光纤提出了新要求。短波长850nm激光器已展现出良好的应用前景。对于1.3~1.55μm波段而言,由于长波长VC2SEL材料的折射率差值小,使得DBR的周期数增大,工艺制作仍比较困难。


垂直腔面发射激光器的最新进展


长波长垂直腔面发射激光器

对光纤通信而言,波长在1.3~1.55μm波段的VCSEL特别重要,但由于长波长VCSEL材料的折射率差小,以致DBR的对数要大幅增加,衍射损耗显著增大,且无法达到》99.5%的反射率。

为解决这个问题,可采取两种途径:采用晶片熔合的GaAs/AlAs反射镜和电介质反射镜。晶片熔合可以解决长波长衬底材料InP与GaAs/AlAs晶格不匹配的问题。


高效率氧化物限制垂直腔面发射激光器

阈值电流是VCSEL的重要品质因数,但关键的参数还包括电光功率的转换效率和输出光功率。

在1989~1994年间,VCSEL所取得的最新进展通常为毫安级阈值电流和毫瓦级输出功率,但电光转换效率一直很低,约为6%~7%,其主要原因是反射镜层的串联电阻很大,且缺少约束电流的手段,以致不能使电流有效注入激活区。

湿热氧化制造法使激光器获得优良的效率(50%~60%)和极低的阈值电流(几十~100μA),目前已作为VCSEL优先选用的制造技术。


波长可调谐垂直腔面发射激光器

这种激光器具有超短腔,比边缘发射激光器短2个数量级以上;因此,一般只有一个确定激光波长的法布里2珀罗模。腔长稍作变动就可以相应改变激光器振荡波长。这种激光器可进一步降低局域网的成本,因而在光通信领域有着广阔的应用前景。


国内外研究状况


国外许多国家和大公司目前均从事VCSEL的研究,其中包括桑迪亚国家实验室、贝尔实验室、日本东京工业大学、德国ULM大学等。

德国ULM大学在2001年报道了有源区直径为 320μm 的VCSEL在室温连续工作下,激射波长为980nm,阈值电流为1.1A时的最高输出光功率为0.89W;在10ns脉冲下,峰值功率达10W。这是目前报道的VCSEL的最高功率值。

1993年前后,中国科学院半导体所、北京大学、吉林大学等单位开始研制半导体垂直腔面发射激光器和微盘激光器。中国科学院半导体所采用MBE法生长多层DBR和量子阱,结合质子轰击半导体工艺,实现了激射波长为0.86μm、阈值为8mA的面发射激光器。

1995年VCSEL最低阈值降低到1.5~2mA。1997年使用选择性氧化工艺制造出阵列VCSEL,同时研制了其他波长的半导体面发射激光器。吉林大学在VCSEL的研究方面亦取得新进展。2000年,有关科研人员对半导体面发射微腔激光器的自发发射进行了深入的研究。


未来前景


制备高反射率的DBR、长波长材料的晶格匹配问题,以及大功率的散热问题一直是制约垂直腔面发射激光器发展的主要瓶颈;但高性能,长、短波长,单模工作的垂直腔面发射激光器的性能将在研究人员的努力下得到进一步的提高。

垂直腔面发射激光器必将在光网络、光互连、光集成电路等方面有着广阔的应用前景,必将拥有光辉灿烂的未来。

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