1 VCSEL的基本結構
顧名思義,邊發射雷射器是沿平行於襯底表面、垂直於解理面的方向出射,而面發射雷射器其出光方向垂直於襯底表面.在面發射雷射器中最常見的類型是垂直腔型面發射雷射器(vertical-Cavity Surfaee-Emitting Laser,即VCSEL),其由三部分組成:上分布布拉格反射器(Distributed BraggReflector,即DBR)、諧振腔和下分布布拉格反射器。DBR是由折射率不同的兩種薄膜構成的多層膜系,每層膜的光學厚度是四分之一波長,一組DBR一般由20-40對薄膜組成。諧振腔的厚度一般在幾個微米左右。與邊發射雷射器的增益長度相比,VCSEL有源層的增益長度極小(幾十納米)。為了能夠實現激射,DBR必須具有很高的反射率(一般大於99%),這也是長波長VCSEL研究中的難點之一。根據DBR所使用的材料不同,VCSEL可分為刻蝕阱VCSEL、半導體膜光學膜VCSEL及全外延半導體膜VCSEL等。
2 VCSEL的特點及套用範圍
由於VCSEL與邊發射雷射器有著不同的結構,這就決定了兩者之間有不同的特點和性能。VCSEL有源區的體積小、腔短,這就決定了它容易實現單縱模、低閩值(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到99%;VCSEL具有較高的弛豫振盪頻率,從而在高速數據傳輸以及光通訊中,預計將有著廣泛的套用;VCSEL出光方向與襯底表面垂直,可以實現很好的橫向光場限制,進行整片測試,得到圓形光束,易與製作二維陣列;外延晶片可以在整個工藝完成前,節約了生產成本。l)出射光束為圓形,發散角小,VCSEL的優點主要有:
很容易與光纖及其他光學元件禍合且藕合效率高。2)可以實現高速調製,能夠套用於長距離、高速率的光纖通訊系統。3)有源區體積小,容易實現單縱模、低閉值的工作。4)電光轉換效率可大於50%,可期待得到較長的器件壽命。5)容易實現二維陣列,套用於平行光學邏輯處理系統,實現高速、大容量數據處理,並可套用於高功率器件。6)器件在封裝前就可以對晶片進行檢測,進行產品篩選,極大降低了產品的成本。7)可以套用到層疊式光積體電路上,可採用微機械等技術。
3 長波長VCSEL面臨的技術問題
光通信對光源有著很高的要求,光源用雷射器的出射功率要達到毫瓦量級,具有較高的調製速率,實現單縱模出射等等。光纖主要有兩個通訊視窗,一個是短波長視窗在0.85μm左右,另外一個長波長視窗在1.2-1.7μm之間。1.3μm和1.55μm位於光通信中使用的二氧化矽光纖的低損耗帶,且1.3μm與二氧化矽光纖的無色散波長相對應,採用這兩種波長的雷射器主要套用在長距離、大容量、高速數據傳輸的通訊網路,如接入網、城域網。相對於短波長的VCSEL,長波長VCSEL器件還不夠成熟,存在著若干技術難點。
面發射雷射器要達到激射所需滿足的條件:(l)反射率大於99%的反射鏡;(2)有有源層和諧振模式相匹配;(3)效率較高的電流注入機構;(4)限制橫模的構造。
首先分析長波長VCSEL中的DBR反射鏡:在VCSEL中,為了獲得高質量的DBR反射鏡,對構成DBR的材料有以下幾個基本要求:(l)和襯底材料晶格匹配;(2)材料間的折射率差大;(3)對工作波長的光透明。除了要求有很高的反射率外,垂直腔面發射雷射器中的DBR還要求有良好的導熱性和良好的導電性。
InP/InGaAsP最大的優勢在於可以利用外延的方法在InP襯底上生長DBR,但是由於受到兩種材料折射率差小的限制,要想達到高反射率就需要很高的反射鏡對數,這就使得總反射鏡變得很厚,給外延生長帶來了很大的困難,而且小的折射率差還會導致透射深度的增加,因而增加了由於自由載流子吸收引起的損耗。另外InP/InGaAsP材料的熱傳導性較差。InP/InGaAsP材料系所存在的這些不足決定了它很難在高性能VCSEL中得以廣泛套用。
GaAs/AIAs由於其具有較大的折射率差,良好的熱傳導性,使其更容易製作出高質量的DBR。而且GaAs基DBR生長技術成熟,還具有較低的熱阻抗,其橫向氧化物限制技術相對InP基而言比較成熟,這就使得GaAS基的DBR成為垂直腔面發射雷射器的首選。但是GaAS和InP材料晶格失配較大(3.8%),很難用外延的方法在InP基上生長高質量的GaAS基DBR。這些問題都一直嚴重地阻礙著長波長VCSEL的發展。
為了解決長波長VCSEL存在的這一問題,研究人員還提出過其他的方案。這其中包括GalnNAs材料的有源層,AIGaAssb/AIAssbDBR,InP基上形變生長GaAs/AIGaAsDBR,InP/GaAs晶片鍵合以採用GaAs/AloaASDBR等。利用這幾種方法都實現了性能良好的長波長垂直腔面發射雷射器,但這幾種方法也都有各自的不足。長波長VCSEL所面臨的第二個主要問題是:p型材料的電阻較大、發熱嚴重並且價帶內帶間吸收(IvBA)嚴重。由於空穴的遷移率總小於電子的遷移率,p型材料的電阻基本決定了VCSEL器件的串聯電阻。對於VCSEL中的p型限制層或DBR反射鏡來說,若增大摻雜濃度,則串聯電阻減小,但由於其價帶內的帶間吸收(IVBA),吸收係數會增大,光學損耗大大增加;若減小摻雜濃度,吸收係數將減小,但串聯電阻將增大。
為了解決這個問題,近年來,在長波長VCSEL中掩埋隧道結結構(BuriedTurme!Junetion,即BTJ)被廣泛採用,在這種結構的vesEL器件中,原p型一側將採用n型限制層或DBR反射鏡代替p型限制層或DBR反射鏡,其主要優點有:減小了器件的串聯電阻;提高了電流注入的均勻性;減小了光學吸收損耗;提高了器件的熱特性。採用隧道結的VCSEL結構,隧道結位於有源區的上方,利用隧道結的反向特性,將VCSEL結構頂端的n型材料與有源區PIN結構中的p型材料串接,從而在整個VCSEL結構兩端均採用了n型材料,提高了器件的性能。
長波長VCSEL所面臨的第三個主要問題是缺乏有效的電流和光場限制結構。為使VCSEL能夠激射並獲得較好的工作性能,除了要有能提供足夠光增益的量子阱有源層、反射率很高的反射鏡和較好的散熱設計外,電流和光場的限制也是必不可少的。常見的電流限制孔徑製作方法有氧化、掩埋異質結、掩埋隧道結、側向腐蝕和離子注入等。在短波長VCSEL中,常用氧化AIAs或AIGaAs層使其形成A12O:的方法來獲得電流和光場的限制。但在長波長VCSEL結構中,不容易採用氧化方法獲得電流和光場的限制孔徑,與InP材料匹配的InAIAS材料的氧化速率很慢;也有研究小組在鍵合的GaAS基DBR反射鏡中製作AIAs的氧化層,但由於鍵合界面位於電流限制孔徑和量子阱有源層之間,存在電勢差和較大阻抗的鍵合界面將會使電流限制孔徑的作用很有限。近年來,在長波長VCSEL中採用濕法側向腐蝕技術製作電流限制孔徑的報導越來越多12'],但側向腐蝕工藝的穩定性有待提高。也可先外延生長包含掩埋隧道結的結構,對掩埋隧道結採用光刻、刻蝕形成電流限制孔徑圖形,再二次外延生長完成整個VCSEL結構,此種方法對外延生長的要求很高。此外,離子注入是當前0.85μm和0.98μm波段的VCSEL器件常用的製作方法,此種方法具有簡化器件工藝、降低製作成本、提高了成品率、適用於工業生產等優點。
4長波長VCSEL的研究進展
1.3μ mVCSEL目前研究較多的是在GaAs襯底上生長GaAs/AIGaAsDBR和GalnNAs/GaAs有源區,其輸出功率可以達到室溫下1.25mw,80℃下0.smw1231。根據其性能許多開始了GalnNAs/GaASVCSEL的生產,準備取代1.3μm的Fab卿一perot(F一P)和oFB的雷射器,成為2.SGb/和loGb/s光通訊的光源。但是對於GalnNAs/GaASVCSEL,由於在進行材料生長的時候N很難加入CalnAS中,導致了其激射波長一般都小於1.3μm。為了使激射波長擴展到1.3 m,出現了但都未被廣泛採用。
用的材料體系是InGaAsP/InP和InGaAIAS/InP VCSEL器件來說,其研究主要集中在 (UCSB)報導了一種結構。其掩埋隧道結對電流進行了有效的限制,使電流能夠均勻注入有源區。並且用內腔接觸方法,降低了串聯電阻和驅動電壓。此結構室溫連續激射達到Zmw的功率,最高的工作溫度達到34℃。ucsB的另外一個小組則採用全外延技術一次性生長晶格匹配的AIGaAssb下DBR(24.5對)、AIGalnAS量子阱有源層、AllnAs隧道結及AIGaASSb頂部DBR(34.5對),然後採用側向腐蝕的方法將AllnAS刻蝕掉一部分,形成一個電流限制和光場限制的視窗,最高連續工作溫度為57℃,室溫下可以達到1.1mw的輸出功率2005年E20通訊報導了一種性能很好的1.3μmVCSEL結構。他們首先在InP襯底上生長形變的GaAs/AIAsDBR,然後生長n+ p料的隧道結、AIGalnAs量子阱和InP帽層,外延結束後再在器件上沉積5102/TiO:光學膜DBR形成頂部腔鏡,並通過離子注入形成側向電流的限制。器件實現了室溫連續激射,閩值電流在1mA左右,單縱模輸出功率達到2.omw,多縱模工作輸出功率可以達到9.OmW,可以在120℃下工作,調製速率可達到10Gb/S。就其性能來說,完全可以在10Gb乙太網作為波分復用的一種方案,從而替代F-P、DFB的邊發射雷射器。
對於VCSEL器件來說,最新報導的器件有以下幾種方案:(1)ucsB的一個小組採用在InP襯底上一次性全外延生長AIGaAssb/AIAssbDBR和InAIGaAs/lnGaAs有源層,採用隧道結側向腐蝕的方法進行電流的限制,同時在隧道結處形成了一個折射率導引區,對光場實現了很好的約束。雷射器室溫連續激射功率為lmw,最高工作溫度可以達到88℃。(2)德國慕尼黑工業大學採用將半導體DBR與光學膜DBR相結合的方法,並通過掩埋隧道結實現側向電流限制,獲得均勻的電流注入,此器件室溫連續工作的最大功率為1.6mw,最高的CW工作溫度為40℃。(3)美國eorning在xnP襯底上生長AIGalnAsDBR,然後生長AIGalnAs量子阱和隧道結、在製作完電流限制圖形後再生長頂部層,外延結束後再在器件上沉積Si/A120:光學膜DBR形成頂部腔鏡。器件室溫下單模連續激射,功率達到2.omw,並可以在100℃以上高溫下工作。(4)瑞士聯邦工學院的A.Mereuta等人報導了目前性能最好的1.55 mVCSEL,室溫連續激射功率可以達到4mw,85℃下的功率為1.7mw。他們採用局域鍵合技術,將隧道結刻蝕成台階,然後將台階直接與AIGaAs/ GaASDBR 鍵合。這樣不僅在隧道結處形成了良好的載流子均勻注入而且形成一種折射率導引,對光場也進行了有效限制。(5)Agient出了另外一種新穎的方案:採用InP/空氣隙DBR:由於InP和空氣的折射率差很大(>2),3對DBR就可以達到99%的反射率。但是由於其導熱性能差,製作工藝複雜,器件的性能還不是很好。
可調諧長波長VCSEL的研究進展
隨著網路的飛速發展,網路用戶急劇上升,網路的傳輸容量和傳輸速度得到了極大的挑戰。為此,現在人們逐漸採用波分復用(WDM)技術來解決問題。波分復用的要求,導致了可調諧雷射器的提出。
其中n為有源區材料的折射率,L為有效腔長,m為整數,入為激射波長。要想調諧雷射器的出射波長,可以改變折射率n,也可以改變雷射器諧振腔的有效腔長L。若通過改變折射率n來調諧諧振波長(主要是通過升溫和加大注入電流密度),得到的波長變化率大約在1%左右,主要是折射率變化受半導體材料的限制,且製作複雜,調諧不連續。因此很多研究人員開始探索調諧諧振腔的物理波長,初始通過漸變的層厚來調諧被證明是可行的,但是調諧範圍很窄,所以又將空氣隙的概念帶到了雷射器的整個製作過程中。通過空氣隙的厚度變化使得雷射器的有效腔長變化,從而使得雷射器的激射波長發生變化,達到調諧雷射器輸出波長的目的。在傳統的邊發射雷射器中採用空氣隙很難實現,於是在垂直腔雷射器中採用空氣隙進行調諧的方案漸漸浮出了水面。
VCSEL的光腔長度短,容易實現單縱模工作,這樣的特性使得調諧在一個較大的範圍內可以連續進行;VCSEL腔體積小使其自發輻射因子較普通邊發射雷射器高几個數量級,能實現極低閉值激射或無閒值激射,從而大大降低器件功耗和熱能耗;vesEL工藝與平面矽工藝完全兼容,並可採用MEMS(Miero Eleetronie Meehanical System,微電子機械系統)工藝來製作空氣隙結構。這些優點使得以VCSEL為基礎的可調諧波長雷射器迅速發展起來了。它可以進行氣體檢測、過程控制、醫療診斷,最為重要的是它是密集波分復用技術(DWDM)以及智慧型全光網路的重要光源。特別是在點對點的DWDM系統中,可調諧的VCSEL可以增加數據的傳輸,提升傳輸的頻寬,使智慧型全光網路的實現成為可能。
下面以美國加州大學伯克利分校的connieJ.chang一Hasnaln等人設計和製作的可調諧VCSEL結構來說明可調諧VCSEL的工作原理。包括三個部分:多對半導體材料組成的底部n型DBR;中間光腔部分,包括有源區;最上面的可動頂鏡部分,可動頂鏡又包括p型DBR、空氣隙、n型DBR。雷射器的激射依靠在底部n型DBR和p型DBR之間加電壓;而雷射器的波長調諧則是依靠在p型DBR和頂部n型DBR之間的反向電壓,該反向電壓使得n型DBR向襯底方向偏移,使得空氣隙的長度變短,從而改變雷射器的有效腔長,調諧雷射器的激射波長。通過力學模擬可以得到最大偏移量為空氣隙的l/3,這被稱為懸臂樑結構的可調諧VCSEL的1/3規則。
可調諧VCSEL有靜電力調諧、電熱調諧、外腔調諧等各種實現方法。其本質都是將空氣隙的概念帶入雷射器的製作過程,通過空氣隙的厚度變化使得雷射器的有效腔長變化,從而使得雷射器的激射波長發生變化,達到調諧雷射器輸可調諧短波長VCSEL近年來進展很快。但是長波長器件由於缺反高質量的反射鏡,製作工藝複雜,發展較慢。表1.4中給出了最新的長波長VCSEL器件的結構和性能參數。我們看到,目前光泵浦的1.55μmMEMS一VCSEL,最好的工作性能為室溫連續工作,輸出功率為Zmw,調諧範圍為50nm。而電泵浦的1.55MEMS一VCSEL,最好的工作性能為室溫連續輸出功率為O.lmW,調諧範圍為40nm。可調諧長波長VCSEL離實用還有很長的路要走。
