可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器

李保志，鄒永剛

(長春理工大學(xué) 高功率半導(dǎo)體激光國家重點實驗室，長春130022)

引　言

與傳統(tǒng)的邊發(fā)射激光器不同，垂直腔面發(fā)射激光器(vertical cavity surface emithing laser,VCSEL)是一種光垂直于襯底表面發(fā)射的新型激光器[1]。自20世紀(jì)70年代被發(fā)明以來，VCSEL在光通信、光互聯(lián)和光存儲等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，并且在高性能計算機(jī)(high performance computing,HPC)、磁光記錄儀、原子鐘、電子控制產(chǎn)品(激光成像和制導(dǎo)、激光雷達(dá))等領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用前景。VCSEL除了可在同一襯底上并列集成多個器件外，還具有圓形對稱光斑、體積小、閾值低、單縱模、耦合效率高、調(diào)制速率高[2]等諸多優(yōu)點。

一般的VCSEL器件發(fā)射波長是不變的。在密集波分復(fù)用通信系統(tǒng)(dense wavelength division multiplexing,DWDM)[3]中，若要得到波長不同的光需要將多個VCSEL集成在一起，這樣會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定并增加了生產(chǎn)成本。至此，波長可調(diào)諧VCSEL的提法便應(yīng)運而生。20世紀(jì)90年代初，美國加州大學(xué)伯克利分校的CHANG-HASNAIN研發(fā)出了第1個波長可調(diào)諧的VCSEL，波長調(diào)諧范圍為19nm[4]。在近幾十年的發(fā)展過程中，可調(diào)諧VCSEL的調(diào)諧范圍大大增加，調(diào)諧方式也更為豐富，具體可分為靜電調(diào)諧、壓電調(diào)諧、電熱調(diào)諧和液晶調(diào)諧4種調(diào)諧方式。國內(nèi)外主要的研究機(jī)構(gòu)有：中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、長春理工大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、德國達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)、法國布列塔尼歐洲大學(xué)和比利時根特大學(xué)等。

1　基本原理與結(jié)構(gòu)

VCSEL發(fā)出的光垂直于芯片表面，正是基于這一特性，使得VCSEL易于2維集成形成陣列。同時VCSEL腔長極短使其縱模間距大[5]，所以容易得到單縱模輸出。VCSEL具有小的諧振腔體積，其自發(fā)輻射因子遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于邊發(fā)射激光器，能夠達(dá)到極低閾值條件下激射，極大地降低了器件的功耗和熱能耗，延長了器件的使用壽命。從工藝上來講，VCSEL制作工藝與平面硅工藝完全兼容，方便與其他電子器件實現(xiàn)光電子集成[6]?？烧{(diào)諧激光器最初是通過改變層厚進(jìn)行調(diào)諧，由于調(diào)諧范圍非常窄，便在激光器的制作過程中引入了空氣隙這一概念，利用空氣隙厚度的變化使VCSEL的有效腔長發(fā)生改變。

垂直腔面發(fā)射激光器的諧振腔是一種Fabry-Pérot(F-P)結(jié)構(gòu)。激光器工作狀態(tài)下諧振腔中會產(chǎn)生多種光波，但是只有滿足駐波條件的光波才可在腔內(nèi)形成有效振蕩，光子在諧振腔中往返光程的相位差是2π的整數(shù)倍，即4πnL/λ=2mπ，所以這里諧振條件可表示為：

(1)

式中，L為等效腔長，n為等效折射率，m為整數(shù)，λ為諧振波長。從(1)式可以看出，若要使諧振波長發(fā)生變化，可以改變激光器的等效腔長或等效折射率。靜電調(diào)諧、壓電調(diào)諧和電熱調(diào)諧等調(diào)諧方法都是使懸臂梁或微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)結(jié)構(gòu)上下移動，從而改變空氣隙大小，使等效腔長發(fā)生改變。由(1)式可知，等效腔長變化，波長也隨之改變。

圖1所示是MEMS可調(diào)諧VCSEL的結(jié)構(gòu)示意圖。它由上下兩對摻雜類型不同的分布式布喇格反射鏡(distributed Bragg reflector,DBR)反射鏡組成。上DBR是可以移動的，下DBR固定并與襯底相連。空氣隙和有源區(qū)位于上下DBR之間。在有源區(qū)兩側(cè)加電壓可形成電流，產(chǎn)生受激輻射?？諝鈱觾啥思与妷汉螅陟o電力的作用下，P型DBR可上下移動，改變諧振腔的長度。下式是中心波長與各個參量的變化關(guān)系：

圖1　MEMS結(jié)構(gòu)波長可調(diào)諧VCSEL結(jié)構(gòu)圖

(2)

式中，r表示F-P腔的光學(xué)常數(shù)，Leff是有效腔長，ΔL表示諧振腔的改變量。這是一種在靜電激勵下的調(diào)諧方法，把靜電激勵改為熱電調(diào)諧也可產(chǎn)生同樣的效果。即上DBR由于電流的注入所產(chǎn)生的熱量而發(fā)生形變，導(dǎo)致空氣層厚度的變化。由(1)式可知，將空氣隙換成其它材料，保持這種材料的厚度不變，改變折射率也可以使波長發(fā)生改變。向列相液晶[7]在3V～10V的調(diào)諧電壓下，可以改變液晶的折射率，在可調(diào)諧VCSEL中是一種非常理想的調(diào)諧材料。

可調(diào)諧VCSEL主要由可移動上DBR、可變空氣隙、有源區(qū)和下DBR構(gòu)成，這是一種標(biāo)準(zhǔn)的F-P諧振腔結(jié)構(gòu)[8]。將折射率不同、厚度為光波長1/4的光介質(zhì)層疊起來可構(gòu)成DBR反射鏡。反射率越高則需要這兩種介質(zhì)的折射率差越大。為了滿足激射條件，DBR反射鏡需要具有較大的反射率。介質(zhì)可有較大的折射率差，而且吸收很少，所以DBR反射鏡只需增加多層膜的層數(shù)即可提高反射率。半導(dǎo)體材料的DBR反射鏡相比于絕緣材料的DBR反射鏡其不同介質(zhì)之間的折射率差并不是很大，因此為了得到高的反射率需要多個介質(zhì)薄膜對，一組半導(dǎo)體DBR反射鏡通常由20對～40對介質(zhì)薄膜組成。一般的VCSEL結(jié)構(gòu)可分為上、中、下3個部分，幾十納米厚的量子阱發(fā)光區(qū)位于上下DBR反射鏡之間，有源區(qū)發(fā)出的光在上下DBR之間來回震蕩，經(jīng)過多次放大后滿足激射條件的光由頂部出射。圖2是可調(diào)諧VCSEL的結(jié)構(gòu)示意圖。該結(jié)構(gòu)主要由三部分組成：可移動上DBR反射鏡、有源區(qū)和底部N型DBR反射鏡。底部N型DBR是由多對半導(dǎo)體材料組成，可移動上DBR包括P型DBR、可變空氣隙和N型DBR。電壓加在P型DBR和底部N型DBR上可使激光器發(fā)生激射，在頂部N型DBR和P型DBR上加反向偏壓可以改變空氣層的厚度，調(diào)諧波長大小。

圖2　可調(diào)諧VCSEL的結(jié)構(gòu)示意圖

靜電調(diào)諧、壓電調(diào)諧和電熱調(diào)諧這3種調(diào)諧方式下的可調(diào)諧VCSEL主要由半VCSEL和MEMS結(jié)構(gòu)組成。靜電調(diào)諧方式最初采用的是單懸臂梁結(jié)構(gòu)，為了提高M(jìn)EMS在調(diào)諧過程中的穩(wěn)定性，單懸臂梁結(jié)構(gòu)逐漸演變?yōu)殡p懸臂梁結(jié)構(gòu)、四懸臂梁結(jié)構(gòu)。圖3是四懸臂結(jié)構(gòu)的靜電可調(diào)諧VCSEL[9]。電極通電后四懸臂梁MEMS結(jié)構(gòu)在靜電力的作用下發(fā)生彎曲變形，改變了諧振腔的長度。

圖3　靜電方式可調(diào)諧VCSEL的結(jié)構(gòu)示意圖

在微機(jī)械壓電激勵可調(diào)諧VCSEL中，基本結(jié)構(gòu)是34對N型下DBR反射鏡，GaAs量子阱有源區(qū)層，可移動的上DBR反射鏡。上DBR反射鏡又可為3部分：4對P型DBR，可變化的空氣隙，15對由懸臂梁結(jié)構(gòu)支撐的N型DBR。上DBR是P-I-N型結(jié)構(gòu)，由摻雜類型不同的AlxGa1-xAs材料構(gòu)成。如圖4所示，當(dāng)施加反向電壓時，垂直方向上的電場就會穿過I型壓電層使其彎曲變形。懸臂梁的偏移就會改變空氣隙的大小，達(dá)到波長調(diào)諧的目的[10]。圖中,ε為縱向應(yīng)變，Mp為等效彎曲力矩，δ為偏移量，V為電壓。

如圖5所示是電熱方式可調(diào)諧VCSEL的結(jié)構(gòu)[11]，它的懸臂梁結(jié)構(gòu)與以上兩種調(diào)諧方式的不同。該懸臂梁由熱層電極、SiO2、N型摻雜層即熱層和AlGaAs DBR構(gòu)成。由于AlGaAs DBR的熱膨脹系數(shù)約是SiO2的10倍，熱層電極加調(diào)諧電壓引起的溫度變化會使懸臂梁發(fā)生形變，最終引起腔長的改變。

2011年，CASTANY等人制備出如圖6所示的內(nèi)腔液晶VCSEL結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是通過改變液晶的折射率實現(xiàn)波長調(diào)諧。上DBR為SiO2/TiO2介質(zhì)薄膜，下DBR采用Si/SiNx介質(zhì)薄膜。器件的有源結(jié)構(gòu)通過分子束外延(molecular beam eritaxy,MBE)在InP晶體上生長，由3個8nm厚的InGaAs量子阱構(gòu)成。器件采用光抽運激勵，施加電壓小于3V，在1500nm通信波段實現(xiàn)了超過30nm的調(diào)諧[12]。

圖6　內(nèi)腔液晶可調(diào)諧VCSEL示意圖

2　發(fā)展歷程

2.1　微機(jī)械懸臂梁靜電激勵可調(diào)諧VCSEL

1994年，美國加利福尼亞大學(xué)CHANG-HASNAIN的科研團(tuán)隊[13-15]采用靜電激勵的方式，制作了微機(jī)械單懸梁臂結(jié)構(gòu)可調(diào)諧VCSEL，并得到20nm的調(diào)諧效果。1998 年,LI等人采用 Al0.1Ga0.9As/Al0.9Ga0.1As 材料做 DBR, 第1次用頂發(fā)射的方式代替了傳統(tǒng)的襯底發(fā)射,以最大調(diào)諧電壓26.1V，中心波長935nm，獲得了31.6nm調(diào)諧范圍，最大輸出功率為1.6mW，閾值電流則為1.2mA～4.5mA[16]。由于VCSEL的調(diào)諧范圍受到1/3 原則的限制，為了盡可能地提高VCSEL的調(diào)諧性能，HUANG等人又采取壓電激勵的方式來制備可調(diào)諧VCSEL[17]。該設(shè)備中上反射鏡的結(jié)構(gòu)為P-I-N型，中間的I層是壓電晶體，調(diào)諧過程中需要在上反射鏡兩邊加電壓，從而在I層中產(chǎn)生電場使壓電晶體產(chǎn)生形變來達(dá)到波長調(diào)諧的目的。目前, 空氣隙的變化量為150nm，調(diào)諧范圍可達(dá)到30nm。

2.2　微機(jī)械薄膜結(jié)構(gòu)靜電激勵調(diào)諧VCSEL

1997年，斯坦福大學(xué)的SUGIHWO，LARSON等人采用靜電激勵的微機(jī)械介質(zhì)薄膜作為可移動上反射鏡來制作可調(diào)諧VCSEL，實現(xiàn)了968nm附近，波長調(diào)諧19.1nm，閾值電流為0.34mA的可調(diào)諧VCSEL[18]，如圖7所示。2011年，北京工業(yè)大學(xué)光電子實驗室采用靜電激勵微機(jī)械雙臂結(jié)構(gòu)制作的可調(diào)諧VCSEL在980nm附近實現(xiàn)了調(diào)諧電壓為7V時，18.8nm的波長連續(xù)調(diào)諧范圍[19]。

圖7　微機(jī)械介質(zhì)薄膜可調(diào)諧VCSEL結(jié)構(gòu)示意圖

2.3　微機(jī)械半對稱腔壓電可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射器

半對稱腔壓電可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器的示意圖如圖8所示。與其它結(jié)構(gòu)不同的是，這種器件的上DBR是由可形變薄膜組成的。1998年TAYEBATI等人設(shè)計出了曲率半徑為320μm的上DBR反射鏡[20]，在所加電壓為13V的條件下實現(xiàn)了從863nm～833nm共30nm的調(diào)諧范圍。

圖8　半對稱腔型可調(diào)諧VCSEL結(jié)構(gòu)示意圖

德國達(dá)姆施特塔大學(xué)的RIEMENSCHNEIDER等人于2003年采用光抽運激勵，制作出中心波長1550nm的半對稱腔可調(diào)諧VCSEL，輸出功率為0.5mW，波長連續(xù)調(diào)諧范圍為24nm[21],如圖9所示。2004年，又將波長調(diào)諧范圍增大到40nm[22]。2011年,他們又采用電子束蒸鍍SiOx/SiNy介質(zhì)薄膜作為彎曲上反射鏡的方法制作出表面微機(jī)械可調(diào)諧VCSEL,最大輸出功率為3.5mW，邊模抑制比為45dB，調(diào)諧范圍達(dá)102nm。圖10中,Lair為空氣層長度，Ls為半導(dǎo)體長度，LDBR,t為光場在上DBR中穿透深度，LDBR,b為光場在下DBR中的穿透深度，w0為光束束腰。

圖9　雙片集成微機(jī)械可調(diào)諧VCSEL結(jié)構(gòu)示意圖

圖10　表面微機(jī)械可調(diào)諧VCSEL結(jié)構(gòu)截面示意圖

2.4　液晶可調(diào)諧VCSEL

隨著可調(diào)諧VCSEL研究的深入，2006年,法國布列塔尼歐洲大學(xué)光學(xué)系的LEVALLOIS和CAILLAUD等人研制出了第1個工作在C波段的非機(jī)械式可調(diào)諧VCSEL。如圖11所示，器件主要由五部分組成：上下襯底、上下DBR和相位調(diào)制層。下DBR采用InP/In0.63Ga0.37As0.8P0.2材料生長在InP襯底上，上DBR采用電子束蒸鍍SiO2/TiO2介質(zhì)薄膜，沉積在玻璃襯底上。相位調(diào)制層由聚合物分散型液晶組成，光學(xué)厚度為波長的6倍，提供一個各向異性的折射率變化來調(diào)諧激光器的出射波長。對液晶層施加電壓，液晶在電壓的作用下o光的折射率不變，e光的折射率減小，兩束光對應(yīng)的諧振腔長度發(fā)生改變，在激光器中所對應(yīng)的腔模波長分離，從而實現(xiàn)波長調(diào)諧。所制造的中心波長1550nm的激光器在調(diào)諧電壓為0V～150V的情況下實現(xiàn)了大約10nm的調(diào)諧范圍，邊模抑制比大于20dB[24]。

圖11　納米聚合物分散液晶可調(diào)諧VCSEL結(jié)構(gòu)示意圖

液晶和VCSEL芯片的組合方式可以有效控制出射光的波長[25]和偏振狀態(tài)[26]，液晶分子的方向則是通過施加電壓控制。從技術(shù)層面上考慮，將液晶置于VCSEL外比內(nèi)腔液晶VCSEL技術(shù)上更易實現(xiàn)。

圖12是外腔液晶VCSEL結(jié)構(gòu)示意圖。它是由比利時根特大學(xué)的XIE和BEECKMAN等人于2012年研制的[27]。圖中，λ為波長，d為液晶厚度。圖12a中包含了VCSEL、間隔物、正負(fù)電極和玻璃基板。850nm單模VCSEL(ULM850-singlemode)被放置在液晶盒中，芯片的尺寸是250μm×250μm×150μm。上ITO層使用光刻圖案來定義VCSEL的陽極以及給液晶層施加電壓的電極。左右氧化玻璃(indiumtin oxide,ITO)層間的間距是4μm。一層偶氮染料SD1被旋轉(zhuǎn)涂布于上基底，作為液晶的配向膜。硅間隔物位于上下ITO電極之間，直徑是30μm±0.1μm。液晶層的厚度由這些間隔物的直徑?jīng)Q定。在圖12b中，用線偏振紫外(ultraviolet,UV)光照射液晶盒，分子的定向遵循紫外偏振光的方向，這使得液晶分子平行排列，如圖12c所示。圖12d中是加電壓后液晶分子的排列情況。通過在液晶層施加電壓可以控制出射激光的偏振態(tài)，當(dāng)所加電壓接近液晶的閾值電壓時，則偏振態(tài)主要由激射光的角度決定。

圖12a—VCSEL示意圖b—制作步驟c—液晶分子的排列方向d—不加和加電壓下的液晶

該團(tuán)隊于2014年又制備了液晶層厚度更薄的外腔液晶VCSEL器件[28]，如圖13a所示。液晶層的厚度也就是硅間隔物的直徑是10μm±0.1μm。頂部介質(zhì)反射鏡由多個周期性的SiO2/Ta2O5雙層膜組成，它們的厚度分別為120nm和84nm。介質(zhì)反射鏡和頂部玻璃襯底的透射率如圖13b所示。圖13c圖所示是液晶指向矢的角度以及兩種偏振狀態(tài)。Px,Py分別為x方向和y方向的偏振,θ為液晶分子偏轉(zhuǎn)的角度。調(diào)諧加在液晶層上的電壓使液晶的折射率發(fā)生變化，外腔的光學(xué)厚度隨之改變，達(dá)到調(diào)諧波長和偏振態(tài)的目的[29]。所使用的E7液晶在厚度為20μm的條件下達(dá)到了2nm的波長調(diào)諧范圍。

3　結(jié)束語

圖13a—VCSEL示意圖b—頂部玻璃基板介質(zhì)薄膜的透射率c—液晶指向矢和VCSEL的兩種偏振模式

采用靜電激勵方式的可調(diào)諧VCSEL具有較快的響應(yīng)速度，通過減小空氣隙的長度，波長藍(lán)移，但由于存在1/3定則限制了VCSEL的波長調(diào)諧范圍。壓電激勵的方式可以克服這一定則限制，得到更寬的波長調(diào)諧范圍。另外壓電激勵能夠消減靜電方式由于吸合效應(yīng)對MEMS系統(tǒng)造成的不可逆轉(zhuǎn)的損壞。熱電激勵的方式是通過增大空氣隙的長度、波長紅移[30]、電熱效應(yīng)引起的溫度變化增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。上述懸臂梁和薄膜結(jié)構(gòu)的VCSEL在調(diào)諧過程中易受到溫度、振蕩等外界因素的影響，性能不穩(wěn)定且制作成本高昂。通過改變腔體折射率的液晶調(diào)諧方式能夠彌補(bǔ)這些缺點，獲得連續(xù)穩(wěn)定的波長輸出，但由于液晶自身折射率的限制導(dǎo)致波長調(diào)諧范圍較小。

隨著研究的深入和工藝技術(shù)的提高，可調(diào)諧VCSEL的性能得到了極大的改善。目前，大多數(shù)MEMS結(jié)構(gòu)和液晶結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧VCSEL都具有邊模抑制比高、波長穩(wěn)定輸出、封裝技術(shù)易于實用化等特點。可調(diào)諧VCSEL在實驗室中可模擬整個波段的單波光源進(jìn)行相關(guān)實驗，在DWDM光通信中可自動實施通道層的保護(hù)?？烧{(diào)諧VCSEL在光網(wǎng)絡(luò)中可根據(jù)波長的具體使用情況選擇所需波長的光，這極大地節(jié)約了成本、增強(qiáng)了光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的靈活性和便捷性。隨著市場與技術(shù)的雙重驅(qū)使，相信在不久的將來可調(diào)諧VCSEL定會以極高的性價比在光通信等領(lǐng)域中得以廣泛地應(yīng)用。