高溫穩定25 Gbit/s 850 nm垂直腔面發射激光器

周廣正， 蘭 天， 李 穎， 王智勇

(北京工業大學 激光工程研究院，北京 100124)

1 引 言

垂直腔面發射激光器(VCSEL)具有高調制速率、低閾值電流、圓形光斑易與光纖耦合和高溫穩定等優勢，廣泛應用于短距離數據通信和并行高速光纖通信。在高性能計算機中基于VCSEL的光互聯已經替代了機架內的電互聯。在計算機內部溫度很容易達到80 ℃以上，非水冷的VCSEL芯片將大幅減少超級計算機的水冷成本[1]。由于VCSEL器件很小，而有源區和DBR中產生的熱量需經過N型DBR和襯底導入熱沉，因此散熱性較差；Westbergh等[2]通過采用高熱導率AlAs作為DBR中的低折射率層，可以有效傳導有源區產生的熱量。李惠等[3]通過模擬分析，從數值結構比較得出，采用二元系的Bottom-DBR的VCSEL器件相比三元系Bottom-DBR的器件，熱性能可以有很大的提高。竹內哲也[4]中使高熱導率層的厚度大于λ/4，低熱導率層小于λ/4，且保持總厚度等于λ/2，從而減小了DBR的熱阻。本文中N型DBR采用AlAs/Al0.12Ga0.88As材料，且通過增加高熱導率材料AlAs和減小低熱導率材料Al0.12Ga0.88As的厚度，增大了N型DBR的熱導率，提高了器件高溫工作性能。工作時器件內部溫度很高，而量子阱增益譜隨溫度變化較大，需要精確設計量子阱峰值增益波長和VCSEL整體結構F-P腔模波長，才能使得輸出功率較高，并且能在環境溫度80 ℃以上高溫條件下正常工作[5-7]。通過后期芯片制作，最后制備了可用于高溫工作的25 Gbit/s VCSEL器件。

2 結構與理論分析

AlxGa1-xAs材料的熱導率如圖1所示[8]，由于GaAs材料對850 nm波長的光具有強烈的吸收作用，所以DBR高折射率層材料經常選擇適當組分AlxGa1-xAs，本文選擇了Al0.12Ga0.88As作為高折射率層，其禁帶寬度為1.574 eV，對應波長為788 nm，避免了對850 nm波長的光造成強烈的吸收。由于高Al組分材料容易被氧化，所以在最下面的28對N型DBR中使用熱導率較高的AlAs材料作為DBR的低折射率層，與之相鄰的3對N型DBR仍用Al0.12Ga0.88As/Al0.90Ga0.10As材料。

圖1 AlxGa1-xAs材料熱導率隨組分的變化

Fig.1 Thermal conductivity of AlxGa1-xAs varying with component

第一次刻蝕只刻到上面的3對N型DBR，下面含有AlAs材料的DBR沒有暴露，可以正常進行下一步的氧化工藝。

由于DBR高低折射率層的厚度并不需要嚴格滿足λ/4[4]，最下面的28對N型DBR可以增加AlAs層的厚度而減小Al0.12Ga0.88As層的厚度，從而進一步提高DBR的熱導率。圖2模擬了28對不同AlAs層厚度DBR的反射率譜，且保持AlAs層和Al0.12-Ga0.88As層厚度和為λ/2?？梢钥闯龇瓷渎首V形狀基本一致，且高反射率帶中心波長都保持在850 nm，不會對VCSEL整體結構的反射率譜產生明顯的影響。圖3為850 nm處的反射率隨AlAs厚度變化的曲線。可以看出隨著AlAs層厚度的增大反射率減小，綜合考慮選取AlAs的厚度為0.2875λ，相應的Al0.12Ga0.88As層厚度為0.2125λ。

圖2 不同AlAs層厚度的DBR反射率譜

Fig.2 Reflectance spectra of DBR with different thickness of AlAs layer

圖3 DBR中心波長的反射率隨AlAs厚度變化曲線

Fig.3 Center wavelength reflectance of DBR varying with the thickness of AlAs layer

表1對比了不同結構DBR熱導率和反射率(不考慮漸變層)。其中總熱導率

(1)

其中di為第i層的厚度，ρi為第i層的熱導率，m為DBR總層數。

從表1可以看出，結構2通過采用高熱導率AlAs材料，總熱導率ρtot大幅增加；由于折射率差增大，所以中心波長的反射率也有所增大。結構3通過增加高熱導率材料AlAs的厚度，ρtot由778.67 W/(cm2·K)增加到843.64 W/(cm2·K)，而中心波長反射率只減小了不到0.01%。通過對DBR材料的選擇和結構優化，大幅提高了DBR的散熱性能。

表1 不同DBR結構的熱導率和反射率

3 結果與討論

實驗采用Veeco公司的K475i型MOCVD設備進行外延生長，反應室壓力為5.6 kPa，溫度為650～700 ℃，Ⅲ族源為三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)和三甲基銦(TMIn)，Ⅴ族源為砷烷(AsH3)，n型摻雜源為Si2H6，p型摻雜源為四溴化碳(CBr4)。采用偏<110> 2°的GaAs(100)襯底，生長了VCSEL的整體結構，包括N型GaAs接觸層，28對Al0.12Ga0.88As/AlAs加3.5對Al0.12-Ga0.88As/Al0.90Ga0.10As材料的N型DBR，InGaAs/AlGaAs材料的應變量子阱，兩個Al0.60Ga0.40As限制層，厚度30 nm的Al0.98Ga0.02As氧化層；22.5對Al0.12Ga0.88As/Al0.90Ga0.10As材料的P型DBR和GaAs帽層。并且單獨生長了量子阱結構來確認量子阱光致發光(PL)光譜特性。采用Nanometrics RPMblue光致熒光光譜儀對量子阱進行測試，光源為532 nm激光器，量子阱光致熒光光譜峰值波長為829 nm。并利用該設備測試了VCSEL外延片白光反射譜，F-P腔模波長為847 nm，F-P腔模波長與PL峰值波長差值為18 nm[9-10]。后期芯片工藝制作了孔徑為7 μm的氧化限制型頂發射VCSEL器件。

VCSEL器件完成后封裝成TO形式，在變溫工作臺測試了不同溫度下的直流特性。850 nm VCSEL單管不同溫度下的功率-電流(P-I)曲線如圖4所示，可以看出25 ℃時熱反轉功率超過8 mW；85 ℃時熱反轉電流為11 mA，功率達 5 mW，表現出較好的高溫工作特性。室溫6 mA下的遠場分布如圖5所示，x方向的發散角為14.37°，y方向的發散角為16.97°，遠場分布的不對稱性可能是由于電流不均勻注入導致。

圖4 不同溫度下的P-I曲線

圖5 室溫6 mA下的遠場分布

圖6 不同溫度下的25 Gbit/s眼圖特性。 (a) 0 ℃；(b) 25 ℃；(c)70 ℃.

Fig.6 25 Gbit/s eye diagrams at different temperature. (a) 0 ℃. (b) 25 ℃ . (c) 70 ℃.

圖6為不同溫度、6 mA偏置電流下的眼圖特性，可以看出不同溫度工作條件下眼圖都比較清晰，表現出較好的高溫工作性能[11-12]。70 ℃時噪聲和抖動變大，可能是由于溫度升高輸出功率下降，導致相對強度噪聲增大[13]。

4 結 論

本文通過在N型DBR中采用高熱導率AlAs材料，且增加AlAs層所占的厚度比例，在保持DBR反射率基本不變的情況下，總熱導率ρtot由483.31 W/(cm2·K)增加到843.64 W/(cm2·K)，提高了器件高溫工作性能。采用MOCVD設備外延生長了波長為850 nm VCSEL；PL峰值波長829 nm，白光反射譜FP腔模波長為847 nm。制作了VCSEL器件，不同溫度條件下的直流測試結果表明：25 ℃時熱反轉功率超過8 mW；85 ℃ 時熱反轉電流為11 mA，功率達5 mW，表現出較好的高溫直流工作特性。遠場發散角小于17°。0～70 ℃的溫度條件下眼圖都較清晰，表明器件滿足高溫25 Gbit/s工作要求。還需要進行老化實驗等，驗證VCSEL器件的可靠性和穩定性。