用于量子傳感的窄線寬無磁垂直腔面發射激光器

張 星 ，張建偉，周寅利，薛洪波，寧永強，王立軍

（1. 中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所, 吉林 長春 130033；2. 長春中科長光時空光電技術有限公司, 吉林 長春 130102；3. 中國科學院 國家空間科學中心, 北京 100190）

1 引 言

垂直腔面發射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers, VCSEL）是一種以低功耗、高光束質量、高直調帶寬為主要特點的新型半導體激光器[1-2]。由于功耗低，VCSEL 的工作溫度范圍很寬，比如：能在80 °C 以上的高溫環境中長期穩定工作[3]；由于光束質量高，VCSEL 對光束整形系統要求較低，因此易于制成緊湊的光學模組[4]。鑒于以上優勢，從20 世紀90 年代中后期成功用于光通信領域開始，VCSEL 至今已經廣泛應用于數據中心和超級計算機內部光互連[5]、智能手機和車載激光雷達等領域[6-7]，國內外有較多研究報道[8-11]。

量子傳感被認為是具有顛覆性意義的下一代計量手段[12]，量子磁探測技術由于具有高靈敏度和低功耗等特點，在高端裝備和科學研究等方面有重要的應用前景[13]。例如在杭州建設的極弱磁場重大科技基礎設施，就是基于量子磁探測技術對極弱磁場開展的研究。

量子磁探測傳感器，或稱為原子磁強計，其原理是借助激光與原子的相互作用實現對微弱磁場的高靈敏度檢測。原子磁強計中采用的光源以VCSEL 為主，主要是因為VCSEL 具備工作溫度范圍寬及高光束質量這兩大優勢，使用VCSEL作為光源，能與傳感器緊湊地進行一體化封裝，大幅降低整機體積、成本和功耗。然而，原子磁強計對VCSEL 的性能要求十分苛刻，包括高溫工作（≥80 °C）、單模（SMSR＞30 dB）、窄線寬（＜100 MHz）以及無磁，這大大增加了VCSEL 芯片和模組的研發難度。

中國科學院長春光學精密機械與物理研究（簡稱長春光機所）和長春中科長光時空光電技術有限公司從2010 年起，圍繞芯片級原子鐘應用，在VCSEL 的高溫低閾值工作、波長控制、模式穩定以及VCSEL 在芯片原子鐘系統中的實際應用等方面報道了一系列研究成果[14]。在此期間，北京工業大學、中國科學院半導體研究所、蘇州納米技術與納米仿生研究所、長春理工大學等多個團隊從2016 年開始也陸續發表了相關研究成果[3]。然而，在原子磁強計等高端量子傳感器需要的窄線寬無磁VCSEL 研究方面，國外只有美國Sandia 國家實驗室和德國ULM 大學報道了相關研究，國內目前只報道了理論研究結果[15]，尚無實際器件方面的報道。

本文介紹了本課題組在高溫、窄線寬、無磁VCSEL 方面的最新研究成果。首先設計并生長了適合集成微透鏡的VCSEL 外延結構，隨后完成了器件制備和微透鏡集成，最后對其輸出特性，特別是線寬特性和無磁特性進行了測試，并對結果進行了討論。

2 外延結構設計與生長

圖1（彩圖見期刊電子版）為本文研制的VCSEL 外延和器件結構示意圖。該器件對應的外延材料由長春光機所發光學及應用國家重點實驗室的AIXTRON 200/4 金屬有機物氣相沉積（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD）設備（研發型）生長而成，外延片直徑為2 inch（1 inch=0.025 4 m），滿足研發階段的需要。根據器件高溫工作和窄線寬的要求，有源區采用了高增益-腔模失配設計[16]，通過采用大于20 nm 的高增益-腔模失配量，使VCSEL 能在80 °C 以上的高溫環境下保持穩定的低功耗工作狀態。

該VCSEL 的外延結構中：N 型分布布拉格反射鏡（N-doped Distributed Bragg Reflector, NDBR）采用34.5 對AlAs/GaAs 材料，之所以采用二元組分主要是考慮提高熱導率，降低熱阻，以利于高溫工作；P 型分布布拉格反射鏡（P-doped Distributed Bragg Reflector, P-DBR）采 用20 對Al0.12Ga0.88Al/Al0.9Ga0.1As 材料，較少的P-DBR 對數有助于提高輸出功率。為了克服高溫環境下功率衰減過大的問題，器件的有源區采用5 組In0.06Ga0.94As 量子阱，對應的室溫增益峰值波長為870 nm，與腔模形成20 nm 以上的失配量，確保器件在高溫下具有較低的閾值電流。氧化層采用35 nm 厚的Al0.98Ga0.02As，具體位置在有源區和P-DBR 之間。

需要特別指出的是，該結構的蓋層（cladding layer）厚度設計為500 nm，一方面是考慮到微透鏡刻蝕深度問題，另外，該設計可以使微透鏡刻蝕主要在GaAs 層中進行，避免刻蝕GaAs/AlGaAs交替結構帶來的速率不穩定和刻蝕形貌不易控制的問題。

3 器件制備

3.1 制備工藝

完成MOCVD 外延材料生長后，VCSEL 的制備是在長春光機所發光學及應用國家重點實驗室的半導體激光芯片工藝平臺完成的，主要采用了本課題組在長期科研和器件工程化實踐中形成的標準VCSEL 制備工藝。具體步驟如下：首先采用光刻+磁控濺射的方法在外延片表面制備環形金屬圖形，作為P 面電極；之后采用德國SENTECH SI500 型電感耦合等離子體干法刻蝕設備刻蝕出直徑為30 μm 的臺面（mesa）結構，暴露出Al0.98Ga0.02As 層；采用法國AET 公司的ALOX型在線監控氧化設備制作氧化孔徑，該設備在10.16 cm 范圍內的氧化精度可達到±1 μm；之后經過SiNx薄膜生長、P-pad 制備等工藝后，將晶圓整體減薄拋光到100 μm，并制作N 面電極。

為了滿足無磁要求，上述N 面電極使用的金屬材料不能含有磁性材料，對此，參考文獻[17]的方法，采用了非常規的50 nm Cr/350 nm Au N 面電極，并對其退火工藝進行了調整，在實現器件的無磁性能前提下，確保其電阻無明顯升高。

完成上述工藝后，晶圓被解理為單顆VCSEL 芯片，為了便于進行各項常規性能測試，將芯片焊接到帶有溫控器和熱敏電阻的TO46 管殼上。完成常規封裝的VCSEL 如圖2 所示。

圖2 封裝后的VCSELFig. 2 The packaged VCSEL

3.2 集成微透鏡刻蝕

本研究中VCSEL 制備工藝與標準工藝的主要區別在于前者需要制備集成微透鏡結構。本課題組在前期研究中開發出一種成本低廉、工藝穩定的濕法刻蝕工藝，用于在低發射VCSEL 的襯底表面制作微透鏡陣列[18]。其主要原理是利用特定比例的氫溴酸腐蝕液在VCSEL 窗口表面和四周的刻蝕速率不同，通過精密控制實驗條件實現不同尺寸微透鏡的制備。

微透鏡制備工序安排在P 面電極制備完成后，具體流程如圖3（彩圖見期刊電子版）所示。微透鏡刻蝕采用的腐蝕液是H2O2∶HBr∶CH3OH∶H2O=1∶1∶1∶10，在圖3 所示掩模露出部分制作微透鏡。該腐蝕液中H2O2的作用是將HBr 中的Br+還原為Br2，CH3OH 的加入主要是減小液體表面張力，使反應產生的氣體不附著在刻蝕窗口表面，使微透鏡表面更加光滑。為了控制反應速度，采用了低溫刻蝕的方法，在冰水混合物的低溫環境中進行刻蝕，最終成功制備出具有特定曲率半徑的微透鏡，微透鏡表面形貌的原子力顯微鏡（AFM）測試結果如圖4 所示。其中圖4（a）～4（d）分別表示直徑為9 μm、11 μm、13 μm、15 μm 刻蝕窗口經過相同刻蝕時間形成的微透鏡，根據該測試結果可計算出微透鏡的曲率半徑和焦距。

圖3 濕法刻蝕微透鏡的工藝流程Fig. 3 Fabrication steps of micro-lens wet etching

圖4 微透鏡表面形貌AFM 測試結果Fig. 4 Surface morphology of the micro-lens by AFM

最終實現了圖1 所示的集成微透鏡VCSEL激光器。

4 實驗結果與討論

在前一小節中，成功制備出集成微透鏡的VCSEL 器件，接下來，將對該器件的輸出特性進行研究，并對結果進行討論。

4.1 輸出特性

測試了集成微透鏡的VCSEL 器件在室溫和高溫環境下的電流-功率特性，以評估該器件的高溫工作適應性，測試中采用了美國THORLABS公司的LDC201CU 型電流控制器（電流分辨率為0.05 mA）、自行開發的溫度控制器（溫控精度為0.1 °C）以及THORLABS 公司的PM100D 型功率計和S130C 型功率探頭。

圖5 所示為室溫（25 °C）下測試得到的VCSEL功率-電流-電壓曲線。從圖中可見，室溫下VCSEL 在5 mA 驅動電流下的輸出功率為2.559 mW，此時對應的電壓為2.79 V，電-光轉換效率為18.3%。由于本研究中的VCSEL 的目標工作溫度是80 °C 以上的高溫環境，因此對器件在溫度升高后的輸出特性變化情況進行研究是十分必要的。圖6（彩圖見期刊電子版）給出了VCSEL 在20～90 °C 內的功率-電流曲線變化情況。從圖6可見，器件的閾值電流呈現先降低后升高的趨勢，對比4 mA 下的輸出功率，20 °C 為1.84 mW，90 °C為1.52 mW，高溫下相對室溫的激光功率僅衰減了22.8%。說明該器件采用的腔模-增益失配和多組高增益量子阱有效緩解了其在高溫下的性能劣化。

圖5 25 °C 下測試得到的功率-電流-電壓曲線Fig. 5 P-I-V characteristics at room temperature (25 °C)

圖6 20～90 °C 下測試得到的功率-電流曲線Fig. 6 P-I characteristics under 20～90 °C

確定VCSEL 是否為單模工作需要對其輸出光譜的邊模抑制比（Side Mode Suppression Ratio,SMSR）進行測試。圖7 給出了在4 mA 驅動電流、90 °C 下VCSEL 輸出光譜的測試結果，在該條件下激光中心波長為896.3 nm，SMSR＞為36.3 dB，激光器能夠保持較好的單模工作狀態。

圖7 VCSEL 的輸出光譜測試結果Fig. 7 Measured output spectrum of the VCSEL

采用THORLABS 公司的掃描式法布里-珀羅干涉儀對本研究中VCSEL 的激光頻率線寬進行測試，具體測試方法見索雷博公司網站。該干涉儀的精細度大于200，自由頻譜區帶寬為1.5 GHz，對應的線寬測試分辨率為7.5 MHz，可以滿足VCSEL 這類頻率線寬相對較寬的半導體激光器的檢測需要。

在實際測試中，VCSEL 發射的激光經過準直后射入干涉儀，形成的干涉峰顯示在示波器上，兩個干涉峰之間的距離為其自由頻譜區帶寬1.5 GHz，根據干涉峰的半高全寬與自由頻譜區的比值即可推算出VCSEL 發射的激光線寬。圖8為VCSEL 激光線寬的測試結果，經換算可得出其線寬為38 MHz。

圖8 VCSEL 線寬測試結果Fig. 8 Measured frequency line width of the VCSEL

4.2 磁性測試

為了滿足原子磁強計的應用要求，使用上述VCSEL 芯片制成了無磁封裝VCSEL 光源模組，封裝后的模組如圖9 所示，并采用中國科學院國家空間科學中心空間天氣學國家重點實驗室的QUSPIN QZFM 型磁強計對該光源模組的剩磁進行測試，測試是在磁屏蔽筒零磁環境中進行的，被測樣品距離磁強計探頭距離約1 cm。測試結果如圖10 所示，可見該模組產生的磁場強度低于0.03 nT (峰-峰值)，能夠滿足實際應用要求。

圖9 無磁封裝VCSEL 光源模組Fig. 9 Packaged VCSEL magnetism-free module

圖10 VCSEL 模組剩磁測試結果Fig. 10 Testing results of the remaining magnetic field intensity of VCSEL

5 結 論

本文面向量子傳感對VCSEL 高溫工作、窄線寬、無磁等應用要求，從芯片結構著手，研制出帶有集成微透鏡結構的VCSEL，測試結果表明該芯片能夠在90 °C 高溫環境下實現穩定單模工作（SMSR=36.3 dB），對應的激光輸出功率為1.52 mW，激光頻率線寬為38 MHz；采用上述VCSEL 芯片制成的光源模組磁場僅為0.03 nT。實驗結果證實 本文成功研制出滿足量子傳感要求的VCSEL。