高速850/980 nm垂直腔面發射激光器的研究進展

邢茹萍，馬淑芳，單恒升，劉青明，侯艷艷，黃佳瑤，許并社,2

(1.陜西科技大學前沿科學與技術轉移研究院 材料原子·分子科學研究所，陜西 西安 710016)(2.太原理工大學 新材料界面科學與工程教育部重點實驗室，山西 太原 030024)

1 前 言

垂直腔面發射激光器(vertical cavity surface emitting laser，簡稱VCSEL)是一種新型的半導體激光器，目前已成為光通訊、光互聯、高速局域網、3D傳感等眾多領域的理想光源[1, 2]。在高速遠距離的數據傳輸中，一般采用量子阱激光器及光譜寬度較窄的分布反饋式激光器。而對于中短距離的光纖數據網絡，如超級計算機中心、光纖到戶(FTTH)工程、芯片間互聯等，VCSEL發揮著更為重要的作用。相對于邊發射激光器，VCSEL具有較小的發散角、圓形的輸出光斑、易于實現二維陣列集成、閾值低、穩定性好、調制速率高等優點[3, 4]，與并行光傳輸以及并行光互連等領域的數據傳輸需求完美對應，以極大的優勢應用于單通道和并行光互聯網絡，成為了寬帶以太網、高速數據通信網中關鍵的光電子器件。另外，近年來VCSEL在輸出功率、數據傳輸速度、光束質量、光電轉換效率、穩定性等方面實現了巨大的突破，同時在3D傳感、激光打印、光探測與測距等光電子領域也開拓了新應用[4, 5]。

近年來，隨著寬帶語音和視頻數據的融合，網絡流量快速增長，人類已經進入到光纖通信、移動通信和高速寬帶信息網絡的時代，對網絡傳輸速率與數據處理能力提出了更高的要求，使得高速VCSEL逐漸成為高速光通訊與光互聯網絡的主要光源之一[6, 7]。因此，深入研究影響VCSEL的高速調制特性，提高傳輸速率和調制帶寬迫在眉睫。850 nm波段具有低傳輸損耗、高調制速率、生長技術成熟等特點，在短距離數據通訊方面已展現出良好的應用前景。而作為光纖另一個低損耗窗口的980 nm波段，其相比于850 nm波段具有更好的溫度穩定性和低功率損耗。850和980 nm兩個近紅外波段VCSEL作為短距離光傳輸的核心器件，其高速性能決定了整個光傳輸和光互聯的傳輸性能。因此，近年來研究者從影響VCSEL的高速調制物理機制和影響高速性能的主要因素出發，不斷優化VCSEL的外延結構與工藝條件，使VCSEL的高速特性得到了迅速提高。

本文首先介紹了VCSEL的器件結構，然后從影響VCSEL高速性能的因素出發進行合理設計，綜述了近年來850和980 nm波段VCSEL在實現更高傳輸速率、高調制帶寬性能方面的研究進展，最后對VCSEL未來的發展前景做了展望。

2 VCSEL的器件結構

VCSEL器件是通過金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)技術或分子束外延(MBE)技術在GaAs襯底上沉積而成。其結構包括高反射率(>99%)的上下分布的布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector, DBR)、有源區、氧化限制層、接觸電極等，如圖1所示[8]。有源區主要是量子阱(QW)或量子點(QD)結構，位于垂直諧振腔諧振時駐波的中心腹點處，以提供有效的光學放大。DBR由光學厚度為激射波長的四分之一的兩種高低折射率不同的材料交替生長而成。通過調節兩種材料的折射率差異及其層數和對數可使其反射率達到99%以上，同時還可通過優化DBR的材料、對數和層數來降低內部熱損耗和閾值電流密度，最終提高器件性能。氧化限制層由高鋁組分GaAlAs組成，如Ga0.02Al0.98As材料，該層經濕法氧化后變成具有低折射率、高絕緣的Al2O3層，從而實現橫向電流和光場的限制作用。通過在頂部和底部制作金屬接觸層，向有源區注入電流，并在上下表面制成一個圓形出光口，最終輸出圓形的激光光斑。為獲得高傳輸速率的VCSEL器件，近年來研究人員主要從優化器件結構和提高工藝精度兩方面來提高其高速調制特性。在優化器件結構方面，研究者多采用應變量子阱結構、雙氧化限制層結構、有源區采用λ/2短腔長結構來增強VCSEL有源區中光子的橫向與縱向限制，使載流子及光子利用效率進一步提高，最終提高傳輸性能。在提高器件工藝精度方面，通常采用優化氧化孔徑、干濕法刻蝕技術和苯并環丁烯(BCB)平坦化技術來提高其高速調制特性。

圖1 一種典型的GaAs垂直腔面發射激光器(VCSEL)的結構示意圖[8]Fig.1 Structure diagram of a typical GaAs based vertical cavity surface emitting laser (VCSEL)[8]

3 高速VCSEL的理論設計

850/980 nm VCSEL是一種通過改變注入電流來對其光強進行直接調制的光電子器件。當外加恒定電流時，VCSEL會伴隨著內部弛豫振蕩、電學寄生參數及其自熱效應的產生，而這3個特性的限制都會對VCSEL的高速調制性能產生重要影響。近年來，研究人員主要從優化這些限制因素的角度出發，來提高其高速傳輸特性。

3.1 馳豫振蕩頻率對VCSEL高速性能的影響

弛豫振蕩頻率是表征VCSEL高速特性的一個重要參數，其大小是限制高速調制帶寬的因素之一，在不考慮阻尼和其他因素的情況下，調制帶寬隨著弛豫振蕩頻率的增加而線性增加。弛豫振蕩頻率fr是VCSEL中載流子和光子之間的固有振蕩頻率，可以表示如下：

(1)

式中，vg為群速度，a為微分增益，Np為光子密度，τp為光子壽命，Γ為限制因子，ηi為載流子注入有源區的效率，q為電荷量，Vp為有源區體積，I為偏置電流，Ith為閾值電流。由式(1)可知，量子阱微分增益的提高可以增大弛豫振蕩頻率。然而弛豫振蕩頻率也受到溫度和驅動電流的影響，當VCSEL工作時，隨著驅動電流的增大，弛豫振蕩頻率先增大到fr,max，然后逐漸減小。這主要是因為當溫度升高時，量子阱中的載流子會獲得更高的能量，而獲得高能量的載流子會越過勢壘層發生泄漏，導致微分增益降低，最終使得弛豫振蕩頻率降低[9-14]。馳豫振蕩頻率是影響氧化限制VCSEL -3 dB帶寬的決定因素，馳豫振蕩頻率越大，氧化限制VCSEL的-3 dB帶寬越大。因此，可通過提高微分增益來獲得更大的馳豫振蕩頻率，從而提高VCSEL的高速性能。

理論表明，由于InGaAs/AlGaAs量子阱相對于傳統的GaAs/AlGaAs量子阱結構具有較大的微分增益，同時InGaAs/AlGaAs結構的VCSEL能夠在大驅動電流下工作，從而獲得更大的弛豫振蕩頻率，最終提高調制帶寬。2009年，瑞典Chalmers University of Technology的Westbergh等采用InGaAs/AlGaAs量子阱取代傳統的GaAs/AlGaAs量子阱，從而使有效增益和微分增益明顯提高。當使用InGaAs/AlGaAs作為有源區時，VCSEL的-3 dB帶寬在25 ℃時達到20 GHz，在85 ℃時達到15.2 GHz，調制帶寬明顯提高[15]。

3.2 寄生參數對VCSEL高速性能的影響

當VCSEL進行高速光電調制時，需向有源區注入高速調制電流，而電學寄生參數(包含寄生電阻和寄生電容)會阻止有源區高速調制電流的注入，從而影響VCSEL的高速調制特性。因此，電學寄生參數是限制高速調制特性的主要因素之一，可通過傳輸函數Hp(f)表示：

(2)

式中，B是比例常數，f為調制頻率，fp是寄生截止頻率。寄生電阻是由DBRs的串聯電阻、結電阻和氧化物孔徑引起的電阻共同決定的，寄生電容主要來自有源區處結電容、氧化限制層處電容和電極間電容。當VCSEL調制頻率高于截止頻率時，寄生參數會被一階低通濾波器阻止有源區注入高速調制電流，導致調制帶寬降低。因此，寄生電容與寄生電阻的減小是一種提高VCSEL高速調制特性的有效方法。一般而言，為了降低寄生電阻，通常采用DBRs調制摻雜剖面，將吸收損耗降至最低。此外，由于寄生電容與氧化限制層的厚度成反比，為了減小寄生電容，有研究者提出采用多層氧化限制層來代替傳統的單層氧化限制層[16, 17]。圖2顯示了單層和雙層氧化限制層VCSEL的模擬頻率響應，結果表明，在采用雙約束氧化層時，VCSEL的寄生電容降低，器件的-3 dB帶寬從17.1提高到21.1 GHz[7]。

圖2 模擬單層(a)和雙層氧化限制層(b)的850 nm VCSEL的頻率響應圖[7]Fig.2 Simulated frequency responses of the 850 nm VCSEL with single layer (a) and double-confined oxide layers (b)[7]

此外，苯并環丁烯由于其低介電常數、高熱導率、低介電損耗等特性，近年來常被用于代替高介電常數的聚酰亞胺來減小電極間的寄生電容，已逐漸成為一種應用于光通訊領域的新的高性能電子材料。2013年，Shi等將苯并環丁烯和Zn擴散技術相結合，有效地降低了寄生電容，將單模VCSEL的-3 dB帶寬提高12 GHz[18]。2016年，Liu等采用多層氧化限制層設計來增強VCSEL的頻率響應、降低器件電容，從而進一步降低寄生參數RC。在不需要經過后期加工對光子壽命進行失諧(即蓋層厚度降低了p-DBR的反射率，從而降低光子壽命)的情況下，即將-3 dB的調制帶寬提高到28.2 GHz[19]。同年，Chalmers University of Technology的Haglund等通過將多層氧化限制層和BCB平坦化技術結合來降低電容，同時采用λ/2腔來提高縱向限制因子，該結構示意圖如圖3所示，該優化結構減少了載流子的傳輸時間，最終3.5 μm氧化孔徑的850 nm VCSEL在4.1 mA低偏置電流下實現了30 GHz高調制響應帶寬[20]。

圖3 VCSEL腔內的折射率分布和模擬光場強度[20]Fig.3 Refractive index distribution and simulated light field intensity in the VCSEL cavity[20]

綜上可知，通過采用雙氧化限制層、BCB平坦化技術、Zn擴散技術等方法都可有效降低VCSEL寄生參數、提高寄生截止頻率，是提高VCSEL高速調制性能的有效方法。

3.3 自熱效應對VCSEL高速性能的影響

激光器在持續工作過程中，會不可避免地產生大量的熱量。由于VCSEL自身的異質結勢壘結構會導致串聯電阻較高，由注入電流引發的自熱效應對調制速率的影響不可忽視，因此自熱效應也是限制VCSEL帶寬的因素之一。通常在忽略寄生參數RC與阻尼對VCSEL調制帶寬影響的情況下，熱效應誘導的最大調制帶寬可表示為[21]：

(3)

式中，f-3 dB,max是-3 dB下的最大調制帶寬，fr,max是由熱因素決定的最大弛豫振蕩頻率。為了減小VCSEL的自熱效應，需要減小VCSEL微分電阻以降低器件產熱，并采用高熱導率材料來改善器件的熱分布。2009年，Westbergh等使用InGaAs代替GaAs材料來減少微分電阻、降低器件產熱，從而減少了VCSEL的自熱效應。結果表明，在25 ℃室溫下采用GaAs QWs的fr,max為16.5 GHz，而InGaAs QWs的fr,max達到20 GHz，VCSEL最大調制帶寬明顯提高[15]。

4 VCSEL高速傳輸性能的研究進展

VCSEL因其自身具有低閾值電流、可高頻調制、單縱模輸出、光束質量好、易于二維集成等優點，在半導體激光器領域中占有非常重要的地位。而850和980 nm波段的器件始終代表著VCSEL半導體激光器研究的最高水平。近年來，為推動VCSEL在數據通信中的應用，各國的研究者對VCSEL進行了大量深入的研究，主要包括瑞典Chalmers University of Technology、美國UCSB、德國Technische Universit?t Berlin以及中國科學院長春光學精密機械與物理研究所、北京工業大學等，通過研究者們廣泛深入的研究，VCSEL的器件性能、實用性及產業化都得到了顯著提高，在高速傳輸和高速調制特性方面有了巨大的突破。

4.1 850 nm波段VCSEL的研究進展

850 nm VCSEL的外延工藝成熟、成本較低，已成為短距離光互聯的標準光源。850 nm VCSEL通常采用無應變的多量子阱作為有源區，而近年來850 nm VCSEL的有源區多采用具有高增益的應變量子阱結構，使其在高速調制方面的性能更加優異，受到世界各個研究單位深入的研究。

1977年，垂直腔面發射激光器的概念由日本東京工業大學的伊賀教授首次提出，隨后該團隊于1979年在低溫-177 ℃下實現了脈沖激射。自此,國內外對VCSEL開始了深入的研究[8]。

為了提高VCSEL的高速特性，2008年Westbergh等報道采用無應變GaAs QWs結構和6 μm大小的氧化孔徑，在25 ℃下達到30 Gbps的最高數據傳輸速率[15]。與非應變的GaAs QWs相比，由于InGaAs QWs具有更高的微分增益，因此逐漸被用作當代高速850 nm VCSEL的有源區的QWs[22, 23]。2009年瑞典Chalmers University of Technology研究人員利用具有應變的InGaAs QWs和雙氧化限制層結構，在25 ℃下實現了32 Gbps的無誤碼數據傳輸[24]。應變量子阱結構與氧化限制技術的引入，使得850 nm VCSEL的研究發生了質的飛越。

隨著大數據時代的到來，對數據傳輸系統提出了更高的要求。近年來，應用于光互聯的850 nm VCSEL逐漸向高調制速率方向發展，表1列舉了近年來850 nm VCSEL的研究進展。2010年，中國臺灣National Central University研究團隊研究了不同深度(1.2和0.6 μm)的Zn擴散對橫向模式的限制，圖4為兩種不同Zn擴散深度的VCSEL器件橫截面與頂部示意圖。研究發現，擴散深度的減小明顯減弱了空間燒孔效應，提高了光子密度。當擴散深度為0.6 μm、氧化孔徑為6 μm時，在9 mA注入電流下實現了大信號調制速率32 Gb/s[25]。同年，Westbergh等研制的直接調制的850 nm氧化限制型VCSEL在背對背(back-to-back)模式下，實現了40 Gb/s的無誤碼傳輸[26]。

圖4 兩種不同Zn擴散深度器件橫截面(a)和頂面(b)示意圖[25]Fig.4 Schematic of the cross-sectional views (a) and top-view (b) of the two devices with different Zn diffusion depth[25]

表1 2010～2019年高速850 nm VCSEL的發展Table 1 Development of high speed 850 nm VCSEL from the year of 2010 to 2019

為提高850 nm VCSEL的高速調制特性，研究人員通過優化外延結構及工藝，使得高速調制特性進一步提升。2012年，Westbergh等通過在n-DBR中采用漸變結構以及改善摻雜特性，從而獲得了較小的電阻和光吸收，有效提高了調制帶寬，最終氧化限制型850 nm VCSEL實現了28 GHz的高調制帶寬和44 Gb/s的高數據傳輸速率[27]。同年，IBM和Finisar聯合報道了基于直接調制850 nm VCSEL的光鏈路，其傳輸速率達到了55 Gb/s[28]。2013年，Westbergh等通過優化刻蝕深度，使得光子壽命稍大于小信號調制帶寬時的壽命，實現了調制速率的大幅度提升。最終研制的850 nm氧化限制VCSEL在back-to-back模式下的室溫調制速率達到了57 Gb/s，實現了無誤碼傳輸，創下了當時單管850 nm VCSEL的歷史新高，此研究使得短距離數據光互聯在高速傳輸方面邁出了重要的一步[29]。另外，2014年Tan等在850 nm VCSEL中實現了40 Gb/s無誤碼高傳輸速率[30]。2016年，University of Illinois Urbana-Champaign研究人員報道了一種新型高速850 nm氧化限制VCSEL，實現了50 Gbps的無誤碼數據傳輸和28.2 GHz的高調制帶寬[31]。同年，Shi等通過采用Zn擴散技術和表面氧化浮雕技術，使850 nm VCSEL在1 km OM4多模光纖中實現了24～29 GHz寬范圍的調制帶寬和54 Gb/s的無誤碼傳輸速率[32]。

隨著擴散技術的成熟，2017年Larsson等對850 nm VCSEL的結構進行改進，在上DBR中采用先進的界面分級和調制摻雜，實現了47 Gbit/s的高調制速率850 nm VCSEL[33]。2018年中國臺灣National Taiwan University的Kao等在OM4多模光纖(MMF)中實現了單模850 nm VCSEL的64 Gbit/s高調制速率[34]。2019年Ledentsov等在有源區采用量子點結構，該結構相比于量子阱結構具有較高的微分增益和極高的溫度穩定性，在高溫150 ℃時仍達到了25 Gbit/s的高調制速率，該量子點結構的引入為VCSEL的研制提供了一種新的思路[35]。

綜上，近年來研究人員圍繞VCSEL的高速調制物理機制及影響其調制性能的因素，采用新結構設計、BCB平坦化技術以及控制氧化孔徑等方法，使VCSEL的高速調制性能逐漸提升，推動了VCSEL在光通訊領域的廣泛應用。

4.2 980 nm波段VCSEL的研究進展

980 nm VCSEL對于數據通信也發揮著重要的作用，尤其是對于波分復用和自由空間光通信[36]。與850 nm波長范圍相比，980 nm VCSEL在OM3和OM4 MMF中具有更高的溫度穩定性、更低的色散和更低的傳輸損耗，表2列舉了近年來980 nm VCSEL的研究進展。980 nm波段VCSEL的有源區常采用InGaAs/(Al)GaAs應變量子阱結構或InAs/GaAs量子點結構來獲得更大的微分增益和更低的透明載流子密度，有望實現更高的轉換效率、更低的閾值電流、更高的調制帶寬和更高的可靠性。

表2 2007～2019年高速980 nm VCSEL的發展Table 2 Development of high speed 980 nm VCSEL from the year of 2007 to 2019

2007年，美國UCSB大學的Chang等在980 nm VCSEL中采用多層氧化限制層和錐形氧化孔來降低寄生電容和光損耗，并在上DBR中優化了p摻雜剖面來降低損耗和電阻，結構的優化使其實現了35 Gbps無誤碼高數據傳輸速率[37]。接著，該團隊在不改變其靜態低損耗性能的前提下，繼續優化錐形氧化孔，提供額外的模式約束，并采用BCB平坦化技術、減小電極尺寸等措施有效降低寄生電容。2009年，該團隊研制的980 nm VCSEL在室溫下實現了35 Gbps的無誤碼數據傳輸速率和大于20 GHz的調制帶寬[38]。2011年，德國TU Berlin大學Hofmann等通過采用λ/2腔長和調制摻雜的方法，使980 nm VCSEL在25 ℃下實現了高達44 Gbps的無差錯傳輸速率[39]。

目前，德國TU Berlin大學在980 nm VCSEL的研究中一直處于世界領先地位，其研制的980 nm VCSEL的調制性能、功耗等指標均達到了國際領先水平。2014年，TU Berlin大學研制的980 nm VCSEL在25 ℃實現了42 Gbit/s無誤碼傳輸速率和-3 dB小信號下24.7 GHz的調制帶寬[40]。2016年，該團隊又提出一個新的設計結構，在上下DBR中加入調制摻雜電流擴展層，使器件串聯電阻減小，有效提高了高速調制性能，使得該980 nm VCSEL在高溫穩定性、高傳輸速率方面創下了新記錄，在25 ℃下傳輸速率達到了50 Gbit/s，-3 dB小信號調制帶寬為26.6 GHz，在85 ℃高溫下也達到了46 Gbit/s無誤碼數據傳輸[41]。2017年，TU Berlin大學Rosales等報道了一種簡化的外延層設計，如圖5所示，該結構具有較小的有源區，確保了光場模式和載流子的強約束，同時在λ/2光學腔中采用雙氧化限制層、1.5～2.5 μm的小氧化孔徑，增強了載流子與光子的橫向與縱向限制，提高了載流子與光子的利用效率，最終在室溫25 ℃下實現-3 dB小信號調制帶寬為30 GHz，在85 ℃高溫下實現25 GHz的高調制帶寬[42]。

圖5 980 nm VCSEL的截面SEM照片(a)，λ/2厚光腔周圍的雙氧化層沿外延生長方向的一維模擬電場強度和真實折射率剖面圖(b)[42]Fig.5 Cross-sectional SEM image of a fabricated 980 nm VCSEL(a), one-dimensional simulated electric-field intensity and real refractive index profile in the vertical direction around the double oxide-layers surrounding the λ/2 thick optical cavity(b)[42]

為了獲得更高的傳輸速率，2018年，TU Berlin大學的Haghighi等通過優化DBR摻雜模式和采用不同厚度的雙氧化限制層結構，研制出在氧化孔徑為3 μm時980 nm VCSEL的調制帶寬達到了創紀錄的35 GHz[43]。2019年，Hamad等提出了一種新型的超高速單模和多模垂直腔面發射激光器小信號調制響應的綜合模型，在氧化孔徑為7 μm時實現了大于30 GHz的調制帶寬[44]。

5 結 語

與邊發射激光器相比，垂直腔面發射激光器(VCSEL)具有眾多獨特的優勢，現已被廣泛應用于光互聯、光存儲等眾多領域。近年來隨著大數據時代的到來，對網絡傳輸速率與數據處理能力提出了更高的要求，使高速VCSEL逐漸成為高速光通訊與光互聯網絡的主要光源之一。因此，深入研究高速VCSEL的物理機制及其高速性能的影響因素成為了國內外關注的焦點。各種新型外延結構和工藝制備技術的不斷優化，使VCSEL的高速傳輸取得了突破性進展，對數據中心的大容量光互連和超級計算機網絡產生巨大的影響。然而面對未來更高數據傳輸速率的需求，仍需進一步優化外延結構和工藝參數來實現VCSEL更高的調制性能。

近年來，VCSEL在消費電子、5G通訊、無人機以及物聯網智能服務系統等方面也發揮著重要的作用。目前，VCSEL已成為我們日常生活中各種傳感器應用的基礎，受到學術界越來越多的關注，可預見VCSEL在未來數據網絡時代具有更大的應用前景與競爭力。