垂直腔面发射激光器的研究进展及其应用.

标题: 垂直腔面发射激光器的研究进展及其应用发信站: 紫金飞鸿(2002年01月09日16:06:43 星期三, 站内信件垂直腔面发射激光器的研究进展及其应用王莉陈弘达潘钟黄永箴吴荣汉 ( 中国科学院半导体研究所北京100083 摘要:垂直腔面发射激光器VCSEL 具有常规半导体激光器不可比拟的优点其光束是园形的易于实现与光纤的高效耦合VCSEL 的有源区尺寸可做得非常小以获得高封装密度和低阈值电流适宜的设计可将激光二极管制成简单的单片集成二维列阵以实现二维光数据处理所用的激光源芯片生长后无须解理封装即可进行在片实验由于VCSEL 的优良性能从而获得了国内外科技界企业界的高度关注本文对这种器件的性能开发现状及应用作简要的概述关键词垂直腔面发射激光器光纤通信光网络光互连1 引言近年来由于人们对于超长距离超高速千兆比特/秒(Gbit/s及至兆兆比特/秒(Tbit/s光纤网络的需求对于高性能低成本光互联网的需求以及对于光学存贮密度的不断提高的要求使一种极其优秀的异型半导体激光器垂直腔面发射激光器(VCSEL应运而生1979年东京工业大学的Iga 提出了垂直腔面发射激光器的思想并于1988 年研制出首枚VCSEL 器件自诞生之日起其优异的性能就获得了人们的青睐科学家们以极大的热情投身到它的研究和开发中去使其蓬勃发展短短的十几年来其波长材料结构应用领域都得到迅猛发展部份产品进入市场据美国Cousultancy ElectroniCast 公司最近预测[1] 仅就用于全球消费的VCSE L 基光收发机而言2003 年VCSEL 将达到11.43 亿美元2008 年将达到近60 亿美元2 垂直腔面发射激光器性能及结构2 . 1 垂直腔面发射激光器的特性垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser 简称VCSEL及其阵列是一种新型半导体激光器它是光子学器件在集成化方面的重大突破VCSEL 与常规的侧向出光的端面发射激光器在结构上有着很大的不同端面发射激光器的出射光垂直于芯片的解理平面(见图1[2] 与此相反VCSEL 的发光束垂直于芯片表面(见图2 这种光腔取向的不同导致VCSE L 的性能大大优于常规的端面发射激光器图1 端面发射的常规半导体激光器图2 垂直腔面发射激光器这种性能独特的VCSEL 易于实现二维平面列阵,而端面发射激光器由于是侧面出光而难以实现二维列阵小发散角和园形对称的远近场分布使其与光纤的耦合效率大大提高现已证实与多模光纤的耦合效率大于90% 而端面发射激光器由于发散角大且光束的空间分布是非对称的128 飞通光电子技术2001 年9 月因此很难提高其耦合效率由于VCSEL 的光腔长度极短导致纵模间距拉大可在较宽的温度范围内得到单纵模工作动态调制频率高腔体积减小使得其自发辐射因子较普通端面发射激光器高几个数量级这导致许多物理特性大为改善如能实现极低阈值甚至无阈值激射可大大降低器件功耗和热能耗由于从表面出光无须像常规端面发射激光器那样必须在外延片解理封装后才能测试它可以实现在片测试这导致工艺简化大大降低制作成本此外其工艺与平面硅工艺兼容便于与电子器件实现光电子集成2 . 2 V C S E L 的基本结构典型的VCSEL 结构示于图3[2] 通常仅约20nm 厚的三量子阱发光区夹在称之为Bragg 反射器的两组高反射率平面镜之间顶部和底部的Bragg 反射器由交替生长的不同X 和Y 组分的半导体薄层组成相邻层之间的折射率差使每组叠层的Bragg 波长附近的反射率达到极高( 99%的水平Bragg 反射镜中的每层厚度为出射光工作波长的四分之一需要制作的高反射率镜的对数根据每对层的折射率而定激光器的偏置电流流过所有镜面组它们被高掺杂以便减小串联电阻有源区由提供光增益的量子阱结构构成典型的量子阱数为1 4个量子阱被置于谐振腔内驻波图形的最大处附近以便获得最大的受激辐射效率。

3 VCSEL 的发展水平3 . 1 0 . 8 5 m 及0 . 9 8 m 波段V C S E L0.85 m GaAs/AlGaAs 及0.98 m InGaAs/GaAs 系列的VCSEL 已趋于成熟[1] 当GaAs/AlG aAs 量子阱VCSEL 的腔面积做到2 2 m2 时其阈值电流低达90 A 频率响应40GHz 工作效率达47% 在误码率(BER<10-12 时其传输速率高达到10Gb/s 最近Lucent 公司采用0.85 m VCSEL 与新型多模光纤耦合实现了超过1.6km 10Gb/s 的传输实验0.85 m VCSEL 目前已实现了商用化Honeywell 公司典型的SV3639 器件性能如下波长850nm 模式单纵模和单横模驱动电压1.8V 驱动电流1 7mA 阈值电流100 A 输出功率0.5 1mW(在1mA 驱动电流下上升/下降时间200ps 斜率效率0.3mW/mA 相对强度噪声-130dB/Hz 在集成面阵方面据最新报道:Honeywell 公司研制的108 34 VCSEL 集成面阵成品率高达 94%3 . 2 1 . 3 m 和1 . 5 5 m V C S E L1.3 m 和1.55 m VCSEL 除具有上述VCSEL 的各种特点外还具有处于光纤的低色散和低衰减窗口的特点它可作为低成本高性能激光光源在光纤通信网络高速数据传输并行光互连等方面具有广泛的应用前景特别是在中长距离高速传输方面具有0.85 m 及0.98 m VC SEL 无法比拟的优点将来的光纤到户和光纤到路边等的实施必将给1.3 m 和1.55 m VCSEL 提供广阔市场 1.3 m VCSEL 是极具潜力的器件Honeywell 的Ashton 相信如果驱动电流低于1mA 速率高于1GHz 的1.3 m VCSEL 的价格具有很大竞争力的话会淘汰0.85 m VCSEL[1] 目前InP 基1.3μm 和1.55μm VCSEL 的研究取得了一定的进展[1,2,5] 但是由于InP 系弱电子限制,导致载流子泄漏此外由于这种材料系统的大的非辐射复合以及电流限制结构及高反图3 VCSEL 结构示意图第1 卷第3 期飞通光电子技术129 射率Bragg 反射镜(DBR制备十分困难等原因[1,3] 使InP 基的InGaAsP VCSEL 研究进展缓慢最近对开拓 1.3 m 带隙新材料的愿望科学家们采用了传统合金材料--镓铟氮砷(GaInNAs 来制作VCSEL GaAs 基的GaInNAs 是一种极有前途的长波长通信用新材料[4,5] GaInNAs /GaAs 有着非常好的电子限制导带差大于300meV 因此特征温度T0 可望有显著的提高(超过150K 当In 原子引入GaAs 形成GaInAs 合金时晶格常数将增大禁带宽度将减小而当N 原子引入 GaAs 形成GaNAs 合金时晶格常数将减小禁带宽度将减小因此调整GaInNAs 中In 与N 的含量可以得到与GaAs 晶格匹配的直接带隙材料或应变量子阱材料而其波长范围可从1.0 m 覆盖到2.0 m 不言而喻GaInNAs 材料是一种潜在的极有发展前景的VCSEL 材料极有可能取代InP 系材料未来的新器件将用于长波长高速宽带光通信美国Sandia 国家实验室的科学家们用MBE 和MOCVD 技术制作GaInNAs/GaAs VCSEL[4] 并取得突破性进展他们已研制出该材料的端面发射激光器, 并有望于今年年底研制出VCSEL 德国 Würzburg 大学的M Reinhardt 等人[6]报道了第一支GaAs 基1.3μm 单纵模分布反馈激光器有源层为InGaNAs 的双量子阱结构其阈值电流密度低于1kA/cm2 Sandia 国家试验室的Meanw hile 等人声称在GaAs 上生长出了第一支该材料的电泵浦1.3μm VCSEL,其输出功率为60μW 在高达 55C 时仍可CW 工作阈值电流在1.5 10mA 之间一种在GaAs 上生长的GaAsSbN 材料有可能担当制作更长波长VCSEL 的重任法国France Telecom R&D 的Giovanni Ungaro 等人对该材料进行了详细的组分和发光特性的研究实现了1.3μm 电致发光此外一种含铊Tl 的TlInGaAs/InP 材料的带隙跨度为0.75 0.1eV,即波长范围为1.65 12μm Osaka 大学的H. Asahi 等人通过试验证实该种材料具有优良的波长温度稳定性随着Tl 含量的增加波长随温度的变化率下降当Tl 含量为13%时温度变化率为0.03meV/K 即是0. 04nm/K, 而相应的InGaAsP/InP 却为0.1nm/K 因此它在波分复用中有重要的潜在意义然而研究此种材料的最大障碍是它的剧毒性3 . 3 多波长V C S E L 列阵[ 2 ]可调谐VCSEL 阵列在局域网长距离超大容量信息传输方面的应用蕴藏着巨大的潜力它可提供更多的自由度波长使密集波分复用(DWDM成为可能极大地提高系统的容量和传输速率密集波分复用系统的关键器件之一就是多波长激光器阵列采用过生长(overgrowth波长调节技术比其它生长技术更有吸引力过生长技术之一的多步刻蚀法是采用将GaAs 层阳极氧化然后移走氧化层的方法J.H.Shin 和B.S.Yoo 使用该法制作了从0.855 0.862 m 波段的非常窄的等间隔波长的八信道多波长VCSEL 列阵其平均波长间隔为0.94nm 由于采用SiNx 调节层代替GaAs 调节日层的多步刻蚀法产生了上述信道SiN x 的折射率几乎是GaAs 的一半因此对于相同目标的波长间隔其控制厚度的能力几乎是GaAs 的两倍此外SiNx 刻蚀方案可应用到任意波长系统如1.55 m 光谱范围和可见光波长范围这一结果说明以大容量DWDM 应用为目的用过生长波长调谐技术精确分割VCSEL 列阵波长是可行的3 . 4V C S E L列阵用于激光照排激光雷达光通信和泵浦固态及光纤激光器的大功率列阵所需的功率密度和亮度的实用化VCSEL 系统尚未得到证实为了充分挖掘VCSEL 列阵的潜力有效办法是需提高它们的峰值功率密度并将制作成本降至低于端面发射激光器列阵的水平[2] 迄今为止所实现的最高功率密度是M Grabherr 等人制作的由23 个单元组成的列阵脉冲功率为300W/cm2 和美国伯克利加利弗尼亚大学D Francis 等人制作的由1000 个单元组成的列阵CW 输出功率为2W 脉冲输出功率为5W 美国Lawrence Livermove 国立研究所H.L.Chen 等人还是制出了1cm 1cm 单片二维VCSEL 列阵由于采用了微透镜列阵来校准发自整个激光器列阵的光束而使该列阵亮度 130 飞通光电子技术2001 年9 月增长了150 倍采用F2 透镜使整束光束聚焦成直径为400 m 的光斑此外将VCSEL 光束的7 5% 耦合进1mm 直径的光纤芯这些结果表明将大面积VCSEL 列阵焊接在热沉上是可行的即使平行放置的列阵的元件大于1000 只但整个列阵散热不会存在问题美国新墨西哥州大学A.C.Alduino 等人引入了一种新型类平面制作技术将多波长VCSEL 与谐振腔增强型光电探测器(RCEPD单片集成在制作技术中用大量不连续的新月形氧化物面的方法形成不同尺寸范围的电流窗口( 4 m 在保持其二维性的同时还改善了器件尺寸其结果是VCSEL 具有与腐蚀台面器件可比拟的电学和光学特性用该技术制作的高速RCEPD 上升时间约为65ps3 . 5 可见光V C S E L由于对于大容量光存贮的要求日益迫切可见光VCSEL 变得越来越重要了同时红光VCSEL 便于与塑料光纤低损耗耦合美国罗德岛Brown 大学工程部和物理系的Y.K.Song 等人[7]研制了准连续波光泵浦的紫色 VCSEL 它由InGaN 多量子阱有源区和高反射率介质镜对组成直至258K 温度下仍能实现高重复频率(76MHz脉冲光泵条件下激射平均泵浦功率约30mW,激射波长为0.403 m 阈值以上的光谱半宽小于0.1nm3 . 6 硅上V C S E L [ 2 ]在硅(Si上制作的VCSEL 还未实现室温连续波工作这是由于将AlAs/GaAs 分布Bragg 反射器(DBR直接生长在Si 上形成在界面处结构粗糙从而导致了DBR 较低的反射率日本Toyo hashi 大学T.Tsuji 等人由于在GaAs/Si 异质界面处引入多层(GaAsm(GaPn 应变短周期超晶格(SSPS 结构而降低了GaAs-on-Si 异质结处延层的螺位错其螺位错密度从109 cm-2 降至107 cm -23 . 7 - 族铅盐V C S E L [ 2 ]鉴于铅盐( - 族的能带结构长期以来铅盐( - 族激光器占据了3 30 m 波长范围中远红外激光器的主导地位具有相干波长可调谐性的这类激光器非常适合于痕量气体分析和大气污染监测中的高分辨率红外显微镜应用虽然这类激光器通常生长在铅盐衬底上但业已证实BaF2 对于铅盐异质结构而言是一种极好的衬底材料替代物奥地利Linz 大学G Springholtz 等人探讨了在4 6 m 光谱范围内实现 VCSEL 的可能性其核心技术是利用MBE 制作铅盐基中远红外Bragg 反射器结构他们关注着各种组份的Pb1-xEuxTe 以实现与作为有源材料的PbTe 相兼容的Bragg 反射器这些多层结构被淀积在解理后的BaF2(111衬底上具有4 6 m 高反射频带的反射器当其具有32 对/4 反射镜对时反射率高达99% 该种微腔PbTe/Pb1-xEuxTe 结构的剖面SEM 照片证实了其具有良好的界面平整性层厚控制和重复率在该项工作中得到的结果使我们看到了- 族中远红外VCSEL 的制作和应用的希望值得一提的是,氧化物限制[1]和衬底选择[2]工艺对实现高质量VCSEL 具有举足轻重的作用氧化物限制的重大意义正如Honeywell 的负责人Ashton 所说在一系列商品化制造中最重要的步骤之一是开发氧化物VCSEL 这种化学淀积工艺可以较好地控制发射区范围和芯片尺寸并具有极大地提高效率和使光束稳定地耦合进单模和多模光纤的能力正因采用了这一步骤Honeywell 的最新氧化物限制方案器件有望将阈值电流降到几百A VCSEL 在动力学运行中的偏振稳定性是实现低噪声高速光数据链路和光互连所必须的由于VCSEL 结构完全不具备偏振选择性因此实现偏振稳定性的主要办法是在光学增益和光损耗中引入各向异性一种有效的方法是采用(n11向衬底因为这会使有源区内引入有效的偏振选择机制日本NTT H Uenohara 等人对比了生长在(311B 和(100衬底上的0.85 m GaAs 基V CSEL 的偏振稳定性的差异将生长在(311B 衬底上的VCSEL 的两种相互正交的偏振模式的功率比定义为正交偏振抑制比其值远大于生长在(100衬底上的器件的比值这种差异被认为是由于( 311B第1 卷第3 期飞通光电子技术131 表面的多量子阱的各向异性光增益引起的偏振控制所致4 VCSEL 的应用4 . 1 作为千兆比特光纤通信的光源[ 1 ]由于千兆比特(Gbit/s速率通信网的需求不断上升近期内铜线基局域网(LAN将很快终止铺设而由多模光纤制作的数据通信(datecom链路取而代之早期这种系统依赖0.85 m 或1.3 m 的发光二极管(LED光源其在十至几百Mbit/s 速率下工作显然不能胜任千兆比特LAN 的需求市售的最优秀的 1.3 m LED 仅限于在最大光纤跨距500m 范围内以约622Mb it/s 的数据速率工作在更高速率下廉价的LED 光源就显得躁声太大速率慢且效率低改变上述状况的方法是以低噪声快速的激光器代替LED 鉴于VCSEL 性能比常规端面发射激光器优异得多因此作为光发射机的光源当仁不让地由VCSEL 来承担瑞典Mitel 半导体光学营业部经理Olof Svenonius 说我们走进VCSEL 即是走进数据通信产业的开始人们相信VCSEL 和千兆比特网会代替规模巨大的LED 和兆比特网这主要是由于 VCSEL 显示出优异的性能价格比VCSEL 主要用途之一是短距离大容量并行数据链路采用线性或二维VCSEL 列阵与光纤连接的方法如Infineon 的并行数据系统(PAROLI采用0.85 m 的VCSEL 据推测在适当时候它们会象1.3 m 和1.55 m 激光器那样流行起来许多分析家预见VCSEL 将成为光纤到家( fiber to home装置的合适光源Mitel 正在开发用于网络装置内部和网络之间的VCSEL 产品公司负责人Svenonius 说前者将超过若干米并包括兆兆比特开关路由器和光横向连接器在内的 shelf-to-shelf 和board-to-board 互联网 1.55 m 波段调谐VCSEL 对密集波分复用的应用来说是一种非常有趣而潜在的低成本办法4 . 2 用于光信号存贮的光源可见光VCSEL 和相同结构的探测器可用于光信号存贮系统以提高存贮密度常规光盘读出系统采用端面发射激光器作光源还配以分立的外部光电探测器来监测发自光盘的反射光美国加利弗尼亚大学J.A.Hudgings 等人演示了一种采用带有内腔量子阱吸收器的VCSEL 的新型集成光盘读出头[2] 由VCSEL发出的CW 光束恰好聚焦在光盘上而经扩展的反射光束直接进入VCSEL光腔在反向偏置下内腔吸收器的功能是作为光电探测器其产生的光生电流提供一种精确的发自光盘的光反馈变量这种方法能进一步放大由光盘拾取头获得的读出信号当器件被施以偏压工作在光双稳状态下时他们实现了具有-2.5kHz 下0.22V 的峰-峰信号高效探测这种探测技术直至50kHz 时仍然有用这一工作体现了密集的集成光学拾取探测的一种新型方法4 . 3 V C S E L 在光互连中的应用[ 8 , 9 ]VCSEL 及其智能像元可以象其它半导体激光器一样用于光存储读/写光源激光打印显示图像信号处理光通信等方面更为重要的是它可以充分发挥光子的并行操作能力和大规模集成面阵的优势在光信息处理光互连光交换光计算神经网络等领域具有广阔的应用前景 VCSEL(0.98 m 或0.85 m及其智能像元为光互连技术的发展提供了关键器件美国由HP GE Honeywell Motorola 等几大公司牵头的几个大型计划对VCSEL 激光器在计算机光互连中的实用化做了大量细致和开创性的工作由于将聚合物(Polymer光互连技术用于光的传输媒介整个模块的造价大幅度下降工艺流程日趋简化稳定 1 16 1 32 系列的VCSEL 激光器产品已步入实用化阶段GE 和Honeywell 公司共同研制了用Polymer 作光波导的32 通道VCSEL 光互连模块Motorola 公司在其OPTOBUSTM 互连中用VCSEL 作光源实现了基于多模光纤的10 通道并行双向数据链路光互连AT&T Bell Lab 研制了用于光电集成OEIC 的高密度32 通道16Gb/s 光学数据互连系统其发射模块用VCSEL 阵列作光源NEC 公司研制了含VCSEL(0.98 m的插拔式132 飞通光电子技术2001 年9 月连接器以1Gb/s 速率传输几十米时的误码率为10-11 德国Ulm 大学实现了VCSEL(0.98 m 以10Gb/s 速率传输500m 时误码率小于10-11 日本东京工业大学以K.lga 为首的研究小组将VCSEL 集成面阵与微透镜阵列技术自对准光学技术相结合构成光互连系统以VCSEL 为基础器件的具有高速大容量﹑高并行处理功能的光互连光交换系统有着极好的应用前景及很强的开拓性和探索性从目前器件研究的进展状况来看研究处于发展阶段由于应用性强世界各大公司都在积极开展研究国外一些公司的VCSEL 器件开始步入实用化阶段从应用与市场角度看现在仍处于应用开拓阶段这类研究在发展计算技术和通信技术方面具有战略意义其市场前景广阔应用需求量很大具有重大社会效益和经济效益5 结语 VCSEL 具有常规端面发射激光器无法比拟的优点其光束是园形的易于实现与光纤的高效耦合VCSEL 的有源区尺寸可做得非常小以获得高封装密度和低阈值电流适宜的设计可将激光二极管制成简单的单片集成二维列阵以实现二维光数据处理所用的激光源芯片生长后无须解理封装即可进行在片实验由于长距离宽带高速光通信高速存取光信息处理高性能低成本光互连器件的需求牵引 VCSEL 器件无论从材料种类还是波长结构都呈多元化高速发展趋势目前0.85 0.95 m 波段VCSEL 较为成熟并已实现商用化而 1.3 1.55 m VCSEL 作为长程光通信光源也呈现出新的增长趋势但制作1.3 m 或1.55 m VCSEL 的技术问题还需不断解决参考文献[1]VCSEL meet demands for datacom bandwidth[C]. 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