深度剖析基于光通信系統(tǒng)的VCSEL技術(shù)

傳統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)一般采用LED等發(fā)光器件。這種發(fā)光器件多采用邊緣發(fā)射，體積大，因此比較難以和半導(dǎo)體技術(shù)結(jié)合。20世紀(jì)90年代垂直腔表面發(fā)射激光VCSEL技術(shù)成熟后，解決了發(fā)光器件和半導(dǎo)體技術(shù)結(jié)合的問題，因此迅速得到普及。

晶圓光學(xué)鏡片中間的兩面發(fā)射垂直腔面發(fā)射體激光器（VCSEL）

VCSEL技術(shù)

垂直腔面發(fā)射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，簡稱VCSEL，又譯垂直共振腔面射型雷射）是一種半導(dǎo)體，其激光垂直于頂面射出，與一般用切開的獨立芯片制成，激光由邊緣射出的邊射型激光有所不同。

VCSEL是很有發(fā)展前景的新型光電器件，也是光通信中革命性的光發(fā)射器件。顧名思義，邊發(fā)射激光器是沿平行于襯底表面、垂直于解理面的方向出射，而面發(fā)射激光器其出光方向垂直于襯底表面，如下圖：

邊發(fā)射激光器（a）與面發(fā)射激光器(b)示意圖

它優(yōu)于邊發(fā)射激光器的表現(xiàn)在于：易于實現(xiàn)二維平面和光電集成；圓形光束易于實現(xiàn)與光纖的有效耦合；可以實現(xiàn)高速調(diào)制，能夠應(yīng)用于長距離、高速率的光纖通信系統(tǒng)；有源區(qū)尺寸極小，可實現(xiàn)高封裝密度和低閾值電流；芯片生長后無須解理，封裝后即可進(jìn)行在片實驗；在很寬的溫度和電流范圍內(nèi)都以單縱模工作；價格低。

VCSEL的優(yōu)異性能已引起廣泛關(guān)注，成為國際上研究的熱點。這十多年來，VCSEL在結(jié)構(gòu)、材料、波長和應(yīng)用領(lǐng)域都得到飛速發(fā)展，部分產(chǎn)品已進(jìn)入市場。

VCSEL基本結(jié)構(gòu)

VCSEL的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。它是在由高、低折射率介質(zhì)材料交替生長成的分布布喇格反射器（DBR）之間連續(xù)生長單個或多個量子阱有源區(qū)所構(gòu)成。典型的量子阱數(shù)目為3~5個，它們被置于駐波場的最大處附近，以便獲得最大的受激輻射效率而進(jìn)入振蕩場。在底部還鍍有金屬層以加強(qiáng)下面DBR的光反饋作用，激光束從頂部透明窗口輸出。

實際上，要完成低閾值電流工作，和一般的條型半導(dǎo)體激光器一樣，必須使用很強(qiáng)的電流收斂結(jié)構(gòu)，同時進(jìn)行光約束和截流子約束。由上圖可見，VCSEL的半導(dǎo)體多層模反射鏡DBR是由GaAs/AlAs構(gòu)成的，經(jīng)蝕刻使之成為air-post（臺面）結(jié)構(gòu)。在高溫水蒸汽中將AlAs層氧化，變?yōu)橛薪^緣性的AlxOy層，其折射率也大大降低，因而成為把光、載流子限制在垂直方向的結(jié)構(gòu)。對VCSEL的設(shè)計集中在高反射率、低損耗的DBR和有源區(qū)在腔內(nèi)的位置。

VCSEL激光器的特點

由于VCSEL與邊發(fā)射激光器有著不同的結(jié)構(gòu)，這就決定了兩者之間有不同的特點和性能，下表中列出了兩種激光器的基本參數(shù)。

從表中我們可以看出，VCSEL有源區(qū)的體積小、腔短，這就決定了它容易實現(xiàn)單縱模、低閾值(亞毫安級)電流工作，但是為了得到足夠高的增益，其腔鏡的反射率必須達(dá)到99%。VCSEL具有較高的弛豫振蕩頻率，從而在高速數(shù)據(jù)傳輸以及光通信中，預(yù)計將有著廣泛的應(yīng)用。VCSEL出光方向與襯底表面垂直，可以實現(xiàn)很好的橫向光場限制，進(jìn)行整片測試，得到圓形光束，易與制作二維陣列，外延晶片可以在整個工藝完成前，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

VCSEL的優(yōu)點主要有:

l.出射光束為圓形，發(fā)散角小，很容易與光纖及其他光學(xué)元件耦合且效率高。

2.可以實現(xiàn)高速調(diào)制，能夠應(yīng)用于長距離、高速率的光纖通信系統(tǒng)。

3.有源區(qū)體積小，容易實現(xiàn)單縱模、低閾值的工作。

4.電光轉(zhuǎn)換效率可大于50%，可期待得到較長的器件壽命。 5.容易實現(xiàn)二維陣列，應(yīng)用于平行光學(xué)邏輯處理系統(tǒng)，實現(xiàn)高速、大容量數(shù)據(jù)處理，并可應(yīng)用于高功率器件。

6.器件在封裝前就可以對芯片進(jìn)行檢測，進(jìn)行產(chǎn)品篩選，極大降低了產(chǎn)品的成本。

7.可以應(yīng)用到層疊式光集成電路上，可采用微機(jī)械等技術(shù)。

VCSEL的發(fā)展史

VCSEL的歷史，也是在諸多學(xué)者機(jī)構(gòu)的努力下，其性能不斷優(yōu)化的歷史，在這幾十年的歷史中，IGA及其帶領(lǐng)的團(tuán)隊起到了不可磨滅的作用，可以堪稱IGA教授為VCSEL之父。

隨著VCSEL的諸多優(yōu)點，其應(yīng)用也越來越廣泛。并且為了適合這些應(yīng)用，VCSEL也朝著多個方向在各自發(fā)展，如圖1所示，為其主要應(yīng)用：

不同波長VCSEL應(yīng)用領(lǐng)域

由于目前VCSEL最主要應(yīng)用在光傳輸方面，基于1979年Soda等人的VCSEL為開端，VCSEL的發(fā)展，主要經(jīng)歷了2個階段：

第一階段：從VCSEL誕生到20世紀(jì)末，蠻荒發(fā)展階段。

在這個階段，各個組織機(jī)構(gòu)都提出以及嘗試了各種不同結(jié)構(gòu)類型的VCSEL，最終氧化物限制型VCSEL由于其諸多優(yōu)點而勝出。

1994年，Huffaker等人率先采用在臺面結(jié)構(gòu)（Mesa）下本征氧化AlGaAs，生成掩埋高阻層Al氧化物的方式，來對電流進(jìn)行進(jìn)一步的限制。利用這種結(jié)構(gòu)，閾值電流可以降低到225uA。而這種結(jié)構(gòu)就是目前普遍采用的氧化物限制型（Oxide-confined）結(jié)構(gòu)的原型；

首個氧化物限制型VCSEL

2013年，Iga對VCSEL的關(guān)鍵指標(biāo)如閾值電流、調(diào)制帶寬與有源區(qū)的關(guān)系給出了簡單的關(guān)系公式：

VCSEL的閾值電流同其他半導(dǎo)體激光器一樣，與有源區(qū)體積有如下關(guān)系式：

由公式可以看出，為了降低閾值電流，就需要不斷減小有源區(qū)體積。比較當(dāng)前的VCSEL與條狀激光器的有源區(qū)體積，可以發(fā)現(xiàn)，VCSEL的V=0.06um3， 條狀激光器依然在V=60um3， 這就是為什么條狀激光器的閾值電流典型值仍舊在幾十mA的級別，而VCSEL的閾值電流已經(jīng)達(dá)到了亞毫安級別。

第二階段：逐漸發(fā)展成熟階段及優(yōu)化階段。

由于氧化物限制型的VCSEL具有低閾值電流等很多優(yōu)點，這種結(jié)構(gòu)的VCSEL被很快運用到了光通信中。

由于高的工作電流可以帶來更好的調(diào)制特性，但同時也會相應(yīng)的增加功耗，進(jìn)而帶來溫度的上升，會對可靠性帶來影響。調(diào)制速率與功耗成了VCSEL在光傳輸領(lǐng)域中重要的挑戰(zhàn)。2007年，Y-C.Chang等人采取增加深氧化層層數(shù)到5層以及增加p型摻雜濃度來降低串聯(lián)阻抗的方式，在0.9mA電流下實現(xiàn)的15GHz調(diào)制帶寬，相應(yīng)的功耗只有1.2mW，帶寬/功耗比只有12.5GHz/mW,是當(dāng)時最先進(jìn)水平。VCSEL截面結(jié)構(gòu)如圖所示：

深氧化層氧化物限制型VCSEL

利用相同的VCSEL結(jié)構(gòu)，同年，Y-C.Chang等人又實現(xiàn)了35Gbps的無誤碼傳輸。

2011年，Petter Westbergh等人研究了850nm氧化物限制型VCSEL光子壽命與諧振頻率及調(diào)制速率的關(guān)系，并指出在高諧振頻率以及低阻尼震蕩中取得一個折衷來提高速率：當(dāng)光子壽命接近3ps時，可以使VCSEL的調(diào)制帶寬達(dá)到23GHz，同時可以得到40Gb/s的無誤碼傳輸。

近年來，各個興趣小組對于高速率、低功耗的VCSEL研究依然興趣不減，圖10是截止到2015年，各機(jī)構(gòu)的研究成果?？梢钥闯?，如果采用預(yù)加重的方式，目前VCSEL背靠背傳輸可以達(dá)到71Gbit/s。

短波長VCSEL光互聯(lián)領(lǐng)域發(fā)展近況

VCSEL的主要應(yīng)用

1、用于高速光纖通信

1300nm和1550nm長波長化VCSEL在Gb/s速率光纖通信中有廣闊的市場前景，由于1300nm和1550nm波長VCSEL除具有處于光纖低色散和低衰減窗口的優(yōu)點外，還具有在中長距離高速傳輸方面的優(yōu)越性；

2、用于數(shù)字通信

VCSEL在短距離、大容量并行數(shù)據(jù)鏈路將有巨大應(yīng)用市場。低成本和高性能的VCSEL廣泛應(yīng)用于局域網(wǎng)中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸。隨著局域網(wǎng)帶寬需求的提高，需有G比特以太網(wǎng)或高速局域網(wǎng)協(xié)議，VCSEL可作為低成本多模光發(fā)射機(jī)；

3、用于光互連

1300nm波長VCSEL是光并行處理、光識別系統(tǒng)及光互連系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件。VCSEL在光信息處理、光互連、光交換、光計算、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域中可充分發(fā)揮光子的并行操作能力和大規(guī)模集成面陣的優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景；

4、用于光存儲

VCSEL可用作光存儲讀/寫光源。VCSEL用作CD光盤的光源可以提高存儲密度，光盤讀出系統(tǒng)還可配以分立的外部光電探測器來監(jiān)測發(fā)自光盤的反射光。美國加利福尼亞大學(xué)已演示一種采用帶有內(nèi)腔量子阱吸收器的VCSEL的新型集成光盤讀出頭。由VCSEL發(fā)出的CW光束聚焦在光盤上，而經(jīng)擴(kuò)展的反射光束直接進(jìn)入VCSEL光腔。在反向偏置下，內(nèi)腔吸收器的功能是作為光電探測器，其產(chǎn)生的光生電流提供一種精確的發(fā)自光盤的光反饋變量。

此外，VCSEL還應(yīng)用在新型照明器、顯示器、激光打印機(jī)等。

VCSEL的迅速發(fā)展和固有優(yōu)點已使其成為光電子應(yīng)用中的關(guān)鍵器件，有強(qiáng)大的生命力。近年來，性能優(yōu)異的VCSEL不斷被研發(fā)，主要涉及其低閾值電流，高輸出功率，高電光轉(zhuǎn)換效率，低工作電壓，高調(diào)制帶寬和高產(chǎn)額。相信隨著VCSEL的不斷發(fā)展，它將會獲得越來越多的潛在應(yīng)用。