垂直腔表面发射激光器(VCSEL)论文

垂直腔表面发射激光器（VCSEL）

引言

垂直腔表面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,即VCSEL)是很有发展前景的新型光电器件，也是光通信中革命性的光发射器件。顾名思义，边发射激光器是沿平行于衬底表面、垂直于解理面的方向出射，而面发射激光器其出光方向垂直于衬底表面，如下图：

图1. 边发射激光器（a）与面发射激光器(b)示意图

它优于边发射激光器的表现在于：易于实现二维平面和光电集成；圆形光束易于实现与光纤的有效耦合；可以实现高速调制，能够应用于长距离、高速率的光纤通信系统；有源区尺寸极小，可实现高封装密度和低阈值电流；芯片生长后无须解理，封装后即可进行在片实验；在很宽的温度和电流范围内都以单纵模工作；价格低。VCSEL的优异性能已引起广泛关注，成为国际上研究的热点。这十多年来，VCSEL在结构、材料、波长和应用领域都得到飞速发展，部分产品已进入市场。

一．基本结构

VCSEL由三部分组成：顶部布拉格反射器（P-DBR）、谐振腔和底部N-DBR。一般DBR由20-40对薄膜组成。谐振腔的厚度一般在几个微米左右，与边发射器的增益长度相比，VCSEL有源层的增益长度极小（几十纳米），为了能够实现激射，DBR必须有很高的反射率（一般大于99%）。在器件的最下方一般是以GaAs 为材料的衬底。结构示意图如下：

图2. VCSEL的基本结构

图3. VCSEL与边发射激光器结构对比

λ=）

图4.DBR结构示意图（980nm 下图列出了VCSEL对应不同波长的谐振腔材料体系：

图5. VCSEL 对应不同波长的谐振腔材料体系

二．工作原理

DBR 类似于多层介质薄滤波器，它会在某一个波长产生强反射光。这个光可以在顶部P-DBR 镜面叠层和底部N-DBR 镜面叠层之间进行反射，以形成一个垂直腔体。在VCSEL 中，谐振腔是由多层介质膜构成的布拉格光栅。如果两种介质膜的折射率和厚度分别为11n d 和22n d ，并且满足条件112212

n d n d λ==，则多层介质膜在界面处对所选波长为λ的光波进行反射，通过选择合适的折射率材料及层数，可有效控制介质层的厚度。

在VCSEL 中，有源区既可以选用双异质结结构的体材料，又可以采用量子阱结构，无论哪一种，其总厚度应很薄，使有源区与DBR 构成短腔激光器。VCSEL

的发射光谱的模式间隔为:2

2nL

λλ?≈，L 为激光器的谐振腔长度，n 为折射率，λ为入射波长。因为L 很短，故VCSEL 可以实现很大的发射光谱模式间隔，使得其非常容易实现动态单纵模工作，其发射的是非常窄的纯单纵模。

当VCSEL 开始工作时，一束低于阈值电流的驱动电流被注入到有源区，由于光谱范围较宽，VCSEL 将发出多束空间相位不匹配的非相干光。当注入电流逐渐接近并达到阈值电流值时，相干性极高的光束经上下DBR 进行多次反射后由激光器的顶部或底部射出。

下图即为VCSEL 中DBR 的反射光谱示意图，图中高反带中有一个凹陷位置，此位置是高反带中的透射极大值，所对应的波长即是腔模波长，即此处的光场经过DBR 的反射和腔的谐振，实现光场的输出。

图6.VCSEL 中DBR 的反射谱 按照波段划分，目前VCSEL 主要分为340nm 、640-670nm 、750-780nm 、850nm 、980nm 、1300nm 、1550nm 波段VCSEL 以及可调谐VCSEL 、多波长阵列VCSEL 。

三．制备工艺

1.湿法氧化工艺

首先采用光刻、腐蚀等工艺在模拟样品上刻蚀出圆台面，暴露出要氧化的层侧面，然后进行清洗，P面做环形金属电极，N面做圆形金属电极，处理后，按一定的氧化速率通过氧化时间控制氧化深度，实现氧化限制孔径与出光孔径的控制。实验装置图如下：

图7. 湿法氧化实验装置图

2.晶片键合工艺

日本NTT光子实验室将具有充分的横向限制的掩埋异质结（BH）引入VCSEL 中，采用薄膜晶体键合工艺使InP基掩埋异质结VCSEL制作在GaAs-DBR上，具体过程如下：（1）采用MOCVD生长InP基激光器结构（第一次生长）；（2）采用反应离子刻蚀（RIE）形成台面方形；（3）再一次生长掺Fe InP层和n-InP层（第二次生长）；（4）又一次生长p-InP相位匹配和p-InGaAs接触层（第三次生长）；（5）将外延层安装在Si板上并用蜡作机械支撑；（6）采用HC1和H3P04化学溶液腐蚀InP衬底和InGaAsP腐蚀中止层；（7）将InP基和GaAs基层的两表面在相同结晶方向面对面放置，然后在室温下蜡熔解而使Si片分开，将样品送入退

火炉以形成化学键合；（8）将台面上部的p-InGaAs移开并将普通电极和SiO

2-T

i

O

2

介质镜从台面上移去，底部涂覆一层抗反射涂层。此VCSEL结构有如下优点：首先谐振腔波长可在晶片融合前监控，因此发射波长可控；其次，激光器工作的可靠性会由于有源层和InP-GaAs熔合界面之间有足够距离而变高。此外，它能低电压工作的潜力在很大程度上是因为p-GaAs-AlAs DBR和p-InP-p-GaAs界面间的高电阻得到了消除。

四．技术指标

表1. 边发射激光器与VCSEL的结构与性能比较

850nmGaAs/AlGaAs已经趋于成熟。当GaAs/AlGaAs量子阱VCSEL的腔面积

做到2×2平方微米时，其阈值电流低达90uA,频率响应＞40GHz，工作效率达47%，在误码率（BER）<1012时，其传输速率高达10Gb/s。Lucent公司采850nmVCSEL

与新型多模光纤耦合实现了超过1.6km、10Gb/s的传输实验。Honeywell公司的产品具体参数如下：

表2. Honeywell公司的SV3639产品具体参数

五．主要应用

1.用于高速光纤通信

1300nm和1550nm长波长化VCSEL在Gb/s速率光纤通信中有广阔的市场前景，由于1300nm和1550nm波长VCSEL除具有处于光纤低色散和低衰减窗口的优点外，还具有在中长距离高速传输方面的优越性；

2.用于数字通信

VCSEL在短距离、大容量并行数据链路将有巨大应用市场。低成本和高性能的VCSEL广泛应用于局域网中节点之间的数据传输。随着局域网带宽需求的提高，需有G比特以太网或高速局域网协议，VCSEL可作为低成本多模光发射机；

3.用于光互连

1300nm波长VCSEL是光并行处理、光识别系统及光互连系统中的关键器件。VCSEL在光信息处理、光互连、光交换、光计算、神经网络等领域中可充分发挥光子的并行操作能力和大规模集成面阵的优势，具有广阔的应用前景；

4.用于光存储

VCSEL可用作光存储读/写光源。VCSEL用作CD光盘的光源可以提高存储密度，光盘读出系统还可配以分立的外部光电探测器来监测发自光盘的反射光。美国加利福尼亚大学已演示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。由VCSEL发出的CW光束聚焦在光盘上，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。

此外，VCSEL还应用在新型照明器、显示器、激光打印机等。

六．不同波段VCSEL具体介绍

1.340nm波段

制作这个波段的器件很困难，目前正在大力研究反射镜结构、P型掺杂、光刻等工艺；

2.630-670nm波段

在低价格应用中，可将此波段VCSEL直接用作可见光光源，从人眼的灵敏度和安全考虑需650nm或更短的波段进行光屏蔽和距离测试，此外，还可用于高密度光存储系统、高清晰度激光打印、以及基于塑料光纤的光通信系统中；

3.750nm-780nm波段

应用于工业、环境和医疗的各类化学传感系统，其最需要频繁测量的值是示踪气体的含量。发射波长763nm和780nm的单模窄线宽VCSEL具有高光谱纯度特性，特别适合于光谱学和传感器。在氧气的探测和原子钟时间标准系统中，它是一种理想光源。

图8.在762nm波长范围的氧气吸收线图9.用于氧气探测的波长调制光谱示意图

4.850波段

它是短程（<500m）光纤通信系统中的关键器件，形成的阵列产品主要应用在中心局开关盒路由器、DWTM、局域网（LAN）和光纤信道存储网(SAN)中。下表为美国ATX公司的850nm VCSEL产品：

表3. ATX公司的850nm VCSEL产品

5.980nm波段

其氧化层具有很强的光限制作用，有利于降低阈值电流。适用于光时钟、半导体电子和通信元器件中的光检测器、粒子发生器、模数变换等；

6.1300nm波段

处于光纤的低色散窗口，是高速长距离光纤通信，光并行处理，光识别系统及并行光互连系统中的关键器件。极有可能取代850nm波段VCSEL。采用基于1310nmVCSEL模块所带来的最直接的好处就是降低功耗（最低可降至50%和成本）。

FP和DFB激光器。

下表为1310nm VCSEL在中短距离和长距离应用中，可直接代替

7.1550nm波段

主要作为光通信中的光源，应用于长距离、宽带高速光纤通信；可靠的低价格光纤链路；零偏发射机和二维发射阵列；且有潜力解决超大规模集成电路互连的瓶颈问题，是LAN、城域网（MAN）、WDM、DWDM的关键器件。

8.可调谐VCSEL

典型的是将一直普通的980nm VCSEL与微光机电系统的反射腔集成组合，由曲形顶镜、增益层、反射底镜等构成可产生中心波长为1550nm的可调谐结构。在1528-1560nm范围内连续可调。

9.多波长VCSEL阵列

VCSEL及其阵列是一种新型半导体激光器，是光子集成方面的重大突破。自1990年演示有140个均匀间隔波长的多波长VCSEL阵列以来，已报道了制造单片多波长阵列的一系列技术。VCSEL阵列的发展方向是低成本、高速率、高密度、大阵列。将VCSEL与微透镜、微光机电系统、电子器件等相结合，还可实现功能性集成模块。

结束语

本文主要介绍了VCSEL的基本结构、工作原理、制备工艺、技术指标、主要应用以及不同波段的VCSEL。VCSEL的迅速发展和固有优点已使其成为光电子应用中的关键器件，有强大的生命力。近年来，性能优异的VCSEL不断被研发，主要涉及其低阈值电流，高输出功率，高电光转换效率，低工作电压，高调制带宽和高产额。我相信随着VCSEL的不断发展，它将会获得越来越多的潜在应用。

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