专注福禄克测试仪销售与技术

浅析VCSEL的相关应用

简介

VCSEL是一种新型的半导体激光器，它与DBR、DFB、F－P腔激光器端面发射激光器不同，它的注入电流方向与腔轴平行，出射光束垂至于芯片表面，导致了它具有与众不同的特点：

（1） 光垂直方向出射，体积小，适合光互联和并行信息处理，易于实现高密度二维平面阵列。

（2） 发散角小，近场、远场呈圆形分布，与多模光纤的耦合效率高于90％。

（3） 光腔极短（约于3－5 ），纵模间距大（FSR: ），线宽小（0.35nm），温度系数小（0.06nm/℃ ），可在较宽范围内实现动态单纵模工作。

（4） 谐振腔体积小，自发辐射因子比普通边发射激光器高几个数量级（ ），易于产生微腔效应，产生极低阈值激射（亚毫安级）。

此外，VCSEL不用解理外延片来形成谐振腔，无额外的腔面镀膜工序，所有的制造和测试都是在外延片上进行，所以提高了生产效率和成品率，极大的降低了成本。美中不足的是，VCSEL目前还是基于GaAs工艺，不能与通用的CMOS芯片直接耦合。

背景：

瑞士新创公司BeamExpress日前研制出一种针对长波长单模VCSEL的高量产生产工艺，该公司创始人兼首席科学家Eli Kapon先生在本文中简要地分析了这种技术。

垂直腔表面发射激光器（VCSEL）目前应用于各种不同领域，相比边发射激光器而言拥有诸多优势，特别要指出的是VCSEL激光器拥有更低的电子功率损耗，纯净的单波长操作，更容易与单模光纤耦合，与其他光元件兼容性好，封装也更简单，由于可以实现在片（on-wafer）测试，所以制造成本也获得了极大的降低。
事实上，短波长（<1 μm）的VCSEL目前已经在甚短距（<100 m）数据通讯和光互连市场上处于支配地位，目前在传感器领域的应用也日渐增多。之所以取得如此辉煌的成绩主要因为相关的制造技术简单，可以跟当前的LED制造工艺兼容。这种制造技术依靠GaAs衬底外延技术形成AlGaAs分布布拉格反射层（DBR）和(In)GaAs/AlGaAs量子阱（QW）有源区。

开始追赶

那些长波长VCSEL，尤其工作在1310nm和1550nm等电信波长上的VCSEL，对于研制那些用在LAN和MAN网络（网络跨度在100米到100公里）里的低成本、波长可控的光源来说是一个非常吸引人的解决方案。不过这些长波长发射器的研制工作相比短波长的VCSEL落后了许多。原因是多方面的，比如说人们为了获得最好的器件性能，往往需要GaAs/AlGaAs DBR来提供一个更大的体系折射率差，更高的热传导系数，以及在100°C仍有很高光增益的InP QW有源区，所有这些要求都面临很多挑战。

当我们要研制一种在70-90 °C温度下发射功率至少要达到1-2 mW的VCSEL时，要解决研制过程中所出现的挑战，采用类似III-V半导体材料的化合物就显得非常重要。上面所描述的性能其实对确保企业数据和电信网络的可靠运作非常重要，而企业和电信市场正是被看作是长波长VCSEL的最大应用市场。

为了解决传统外延工艺混合GaAs和InP结构所面临的困难，人们研制了许多新技术来制造这种器件。如高应变量子阱（QW）或量子点GaAs/InGaAs有源区；稀释氮化物的GaInNAs/GaAs有源区；基于InP的变质DBR；配有InP有源区的电介质反射镜。尽管这些技术都获得了相当大的进步，不过它们依旧存在诸多方面的限制，如发射波长的选择，单模输出功率等方面。

?vcsel技术进展

　　最近从IEEE Communications Magazine 2003 February一期第S30页看到美国加州大学(UC Berkeley)EECS教授发表的关于长波长VCSEL的进展和前景的文章，觉得VCSEL在近年已有明显的进展，而且很可能在未来光纤通信所用光电子器件中发挥很好的实际应用，有着光辉的前景. 1 0.85 μm VCSEL

　　最初在1990年～1995年期间制成的VCSEL是供短波长0.85 μm通信使用.主要是用于局域网(LAN)的多模光纤通信，可能有助于组成Gbit/s的Ethernet.每个激光管均由圆片制成，多个激光管具有不同的激光波长可以方便地排成阵列，供多路通信使用，优于早先使用的发光管LED. 0.85 μm VCSEL是由两层分布布拉格反射体(DBR，Distrbuted Bragg Reflector)和中间空腔层构成.空腔层中心是包含多个量子阱的有源区，注入电流就是经过导流结构进至有源区，整个空腔可以在GaAs衬底上一次处延生长.因此这种激光管可以用圆片制造和测试，而这种制造技术是与发光管LED相似的.

　　制造0.85 μm VCSEL的关键技术是简单外延和顶面发射，就是说，整个激光管结构的生长只是一步处延，这就可能增加器件的均匀性，并缩短圆片器件的处理和试验时间.而且，从圆片表面外延边的顶部发射可以容许在器件包装前测试圆片.这些是当初0.85 μm VCSEL制造的特点和优点，对于后来制造长波长1.3和1.55 μm VCSEL起到了很好的参考作用.

2　1.3 μm VCSEL

　　为了制成长波长1.3～1.55 μm的VCSEL，就应先考虑合适的材料，具体地说，1.3 μm的VCSEL应选用半导体Ga1-xInxNyAs1-y作为有源区，以与GaAs衬底相匹配.其中In的x和N的y成份还可以适当调整。如加大In和N的成份，就使直接带隙减小，一般地说，典型的1.3 μm发射需要35%～38%的In和1.5%～2.0%的N.但这样的考虑曾经遇到限制，如利用MOCVD和MBE制成VCSEL，最多只能在1.2 μm获得良好性能.但后来经过精心研究，这种限制得到克服，成功地制成顶部发射的单模VCSEL，波长为1.293 μm，输出功率1.4 mW，能在25℃连续波运用.电注入是通过横向腔的触点，电流就局限于小孔径内.DBR是用GaAs/AlAs层.这样的实验曾证明激光管能够接受数字调制达到10 Gbit/s的速率.另外又有实验把波长再提高到1.55 μm，在较高门限密度进行脉冲运用.

　　上述GaInNAs的VCSEL材料包含N，因而当波长稍增加时将使功率性能显著降低.为了克服这种困难，最近考虑加入Sb，具有GaInNAsSb有源区的VCSEL，可在波长1.3 μm工作，CW输出功率在20℃为1 mW，甚至可在高温80℃情况下运用.这样的VCSEL结构利用p的DBR和氧化物孔径，对于长波长激光管很有用，甚至同样适合于1.55 μm的运用.

　　1.3 μm的VCSEL曾经考虑利用InGaAs的量子点(QD，Guantum dots)的有源区.这种利用量子点的办法可能改进光电子器件的性能，提高增益也便于调整激光波长.最近制成的1.3 μm QD-VCSEL能够发射1.25 mW的功率，并在室温条件供CW运用，它的DBR是利用GaAs/AlOx，电流注入和局限于AlOx孔径.

　　1.3 μm VCSEL的有源区也曾经考虑利用GaAsSb量子阱在GaAs衬底上生长，但因失配较大，很少的量子阱能被利用.最近有报道称1.23 μm VCSEL利用两个GaAs0.665Sb0.335的量子阱作为有源区，又用GaAs/AlGaAs作为DBR，与AlOx作为电流局限孔径.这样能够得到0.7 mA的门限电流，但输出功率很小，仅0.1 mW.

3　1.55 μm VCSEL

　　对于波长在1.45～1.85 μm范围内的VCSEL，曾将InGa(Al)As/InAlAs用于底部的DBR，并用介质/Au于顶部的DBR，产生InGa(Al)As的量子阱，并与InP衬底格匹配.近来将原有设计再加改进：在有源区的顶上，利用n+p+p隧道形让电流注入.又生长埋藏的异质结构，以局限横向电流.这样的埋藏隧道连接(BTJ)可以获得高效的电流注入，并导致很低的门限电压和电阻，而且，用了1.5～2.5对的介质镜，直接装在金的散热架上，使反射率高达99.5%～99.8%，而且散热少，对于激光管功率和温度性能有利.最后将衬底除去，以减小光损失，并从衬底边获取激光发射，这样由底部发射的发射波长为1.55 μm的VCSEL如用5 μm孔径，发射单声横向模，在CW运用20℃可得最大功率0.72 mW.如用17 μm孔径，就可发射2 mW，得到的最大激光温度约为110℃.

　　另一方案是DBR采用AlAsSb和GaAsSb，它们的较大带隙能量差可以导致较大的折射率差，对DBR很适合.在1.55 μm，AlGaAsSb/AlAsSb的折射率差约15%，这几乎相当于AlAs/GaAs的折射率差，大于InGaAs/InAlAs的7.8%和InP/InGaAsP的8.5%.不过，它们的导热性能比GaAs和AlAs差得多.用于AlGaAsSb/AlAsSb作为DBR，底部发射的1.55 μm VCSEL只要一次MBE生长就可制成，但这种结构的有源区需要散热措施.这样，可以制成在室温的CW运用，例如在25℃发射0.9 mW，最高温度可以用到88℃.

　　又一方案是DBR采用InP/空气隙，折射率差很大，但导热率太差，须具备足够有效的导热措施.曾经用这种方案制成1.55 μm VCSEL，可提供1.0 mW的单模输出功率，并能在25℃适合CW运用；再有一个方案是DBR采用GaAs/AlGaAs，折射率差大，导热率也高.但AlGaAs的DBR与InP的有源区的圆片熔合可靠性不是太好，须采用特殊措施加以改进.这就是使有源区在InGaAlAs的DBR顶部形成，有一层空腔作为缓冲层，然后沉积松驰的GaAlAs的DBR，好像是介质镜.这样从顶部发射的VCSEL可以适用于1.53～1.62 μm，在15℃发射1.4 mW的单模输出功率.

　　最近，结合使用微机械结构，制成了1.55 μm可连续调谐的VCSEL，调谐范围为22 nm，边模抑制比SMSR大于45 dB.而且这样的可调谐1.55 μm VCSEL可以接受数字信号2.5 Gbit/s的调制，并能在900 nm波长范围内运用，在175 μs以内锁定波长.这种可调谐的、而且调谐性能优良的1.55 μm VCSEL在结构和工艺上，近年还在继续不断地改进以期获得更好的性能，满足实际应用的需要.

4　应用前景

　　近年来，光纤通信技术正在快速向前发展.短波长0.85 μm适合于局域网多模光纤传送计算机数字通信的应用.长波长1.3 μm适合于中短距单模光纤传送模拟图视通信的应用.长波长1.55 μm因具有很宽的低损耗、低色散波段，适合于长途多路通信的应用，尤其在这些波段容许光纤加装密集波分复用(DWDM)系统，使每根单模光纤同时传送多路不同波长的光载波，而每一光载波可各自受电数字信号的调制，因而一根光纤具有很大的数字信号传输容量.这样，可调谐的多波长激光管VCSEL阵列符合1.55 μm的需要，可以发挥很大作用，且具有极其美好的发展前景.