垂直腔面发射激光器的分析研究进展及其应用
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3 . 5可见光V C S E L
因为对于大容量光存贮地要求日益迫切可见光VCSEL变得越来越重要了同时红光VCSEL便于与塑料光纤低损耗耦合美国罗德岛Brown大学项目部和物理系地Y.K.Song等人[7]研制了准连续波光泵浦地紫色VCSEL它由InGaN多量子阱有源区和高反射率介质镜对组成直至258K温度下仍能实现高重复频率(76MHz)脉冲光泵条件下激射平均泵浦功率约30mW,激射波长为0.403 m阈值以上地光谱半宽小于0.1nm
1引言
近年来因为人们对于超长距离超高速千兆比特/秒(Gbit/s)及至兆兆比特/秒(Tbit/s)光纤网络地需求对于高性能低成本光互联网地需求以及对于光学存贮密度地不断提高地要求使一种极其优秀地异型半导体激光器垂直腔面发射激光器(VCSEL)应运而生1979年东京工业大学地Iga提出了垂直腔面发射激光器地思想并于1988年研制出首枚VCSEL器件自诞生之日起其优异地性能就获得了人们地青睐科学家们以极大地热情投身到它地研究和开发中去使其蓬勃发展短短地十几年来其波长材料结构应用领域都得到迅猛发展部份产品进入市场据美国Cousultancy ElectroniCast公司最近预测[1]仅就用于全球消费地VCSEL基光收发机而言2003年VCSEL将达到11.43亿美元2008年将达到近60亿美元
3VCSEL地发展水平
3 . 1 0 . 8 5 m及0 . 9 8 m波段V C S E L
0.85 m GaAs/AlGaAs及0.98 m InGaAs/GaAs系列地VCSEL已趋于成熟[1]当GaAs/AlGaAs量子阱VCSEL地腔面积做到2 2 m2时其阈值电流低达90 A频率响应40GHz工作效率达47%在误码率(BER)<10-12时其传输速率高达到10Gb/s最近Lucent公司采用0.85 m VCSEL与新型多模光纤耦合实现了超过1.6km 10Gb/s地传输实验0.85 m VCSEL目前已实现了商用化Honeywell公司典型地SV3639器件性能如下波长850nm模式单纵模和单横模驱动电压1.8V驱动电流1 7mA阈值电流100 A输出功率0.5 1mW(在1mA驱动电流下)上升/下降时间200ps斜率效率0.3mW/mA相对强度噪声-130dB/Hz在集成面阵方面据最新报道:Honeywell公司研制地108 34 VCSEL集成面阵成品率高达94%
3 . 3多波长V C S E L列阵[ 2 ]
可调谐VCSEL阵列在局域网长距离超大容量信息传输方面地应用蕴藏着巨大地潜力它可提供更多地自由度波长使密集波分复用(DWDM)成为可能极大地提高系统地容量和传输速率密集波分复用系统地关键器件之一就是多波长激光器阵列采用过生长(overgrowth)波长调节技术比其它生长技术更有吸引力过生长技术之一地多步刻蚀法是采用将GaAs层阳极氧化然后移走氧化层地方法J.H.Shin和B.S.Yoo使用该法制作了从0.855 0.862 m波段地非常窄地等间隔波长地八信道多波长VCSEL列阵其平均波长间隔为0.94nm因为采用SiNx调节层代替GaAs调节日层地多步刻蚀法产生了上述信道SiNx地折射率几乎是GaAs地一半因此对于相同目标地波长间隔其控制厚度地能力几乎是GaAs地两倍此外SiNx刻蚀方案可应用到任意波长系统如1.55 m光谱范围和可见光波长范围这一结果说明以大容量DWDM应用为目地用过生长波长调谐技术精确分割VCSEL列阵波长是可行地
3 . 4
V C S E L列阵用于激光照排激光雷达光通信和泵浦固态及光纤激光器地大功率列阵所需地功率密度和亮度地实用化VCSEL系统尚未得到证实为了充分挖掘VCSEL列阵地潜力有效办法是需提高它们地峰值功率密度并将制作成本降至低于端面发射激光器列阵地水平[2]迄今为止所实现地最高功率密度是M Grabherr等人制作地由23个单元组成地列阵脉冲功率为300W/cm2和美国伯克利加利弗尼亚大学D Francis等人制作地由1000个单元组成地列阵CW输出功率为2W脉冲输出功率为5W美国Lawrence Livermove国立研究所H.L.Chen等人还是制出了1cm 1cm单片二维VCSEL列阵因为采用了微透镜列阵来校准发自整个激光器列阵地光束而使该列阵亮度130飞通光电子技术2001年9月增长了150倍采用F2透镜使整束光束聚焦成直径为400 m地光斑此外将VCSEL光束地75%耦合进1mm直径地光纤芯这些结果表明将大面积VCSEL列阵焊接在热沉上是可行地即使平行放置地列阵地元件大于1000只但整个列阵散热不会存在问题美国新墨西哥州大学A.C.Alduino等人引入了一种新型类平面制作技术将多波长VCSEL与谐振腔增强型光电探测器(RCEPD)单片集成在制作技术中用大量不连续地新月形氧化物面地方法形成不同尺寸范围地电流窗口( 4 m在保持其二维性地同时还改善了器件尺寸其结果是VCSEL具有与腐蚀台面器件可比拟地电学和光学特性用该技术制作地高速RCEPD上升时间约为65ps
2 . 2 V C S E L地基本结构
典型地VCSEL结构示于图3[2]通常仅约20nm厚地三量子阱发光区夹在称之为Bragg反射器地两组高反射率平面镜之间顶部和底部地Bragg反射器由交替生长地不同X和Y组分地半导体薄层组成相邻层之间地折射率差使每组叠层地Bragg波长附近地反射率达到极高( 99%)地水平Bragg反射镜中地每层厚度为出射光工作波长地四分之一需要制作地高反射率镜地对数根据每对层地折射率而定激光器地偏置电流流过所有镜面组它们被高掺杂以便减小串联电阻有源区由提供光增益地量子阱结构构成典型地量子阱数为1 4个量子阱被置于谐振腔内驻波图形地最大处附近以便获得最大地受激辐射效率.
标题:垂直腔面发射激光器地研究进展及其应用
发信站:紫金飞鸿(2002年01月09日16:06:43星期三),站内信件
垂直腔面发射激光器地研究进展及其应用
王莉陈弘达潘钟黄永箴吴荣汉(中国科学院半导体研究所北京100083 )
摘要：垂直腔面发射激光器VCSEL具有常规半导体激光器不可比拟地优点其光束是园形地易于实现与光纤地高效耦合VCSEL地有源区尺寸可做得非常小以获得高封装密度和低阈值电流适宜地设计可将激光二极管制成简单地单片集成二维列阵以实现二维光数据处理所用地激光源芯片生长后无须解理封装即可进行在片实验因为VCSEL地优良性能从而获得了国内外科技界企业界地高度关注本文对这种器件地性能开发现状及应用作简要地概述关键词垂直腔面发射激光器光纤通信光网络光互连
2垂直腔面发射激光器性能及结构
2 . 1垂直腔面发射激光Biblioteka Baidu地特性
垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser简称VCSEL)及其阵列是一种新型半导体激光器它是光子学器件在集成化方面地重大突破VCSEL与常规地侧向出光地端面发射激光器在结构上有着很大地不同端面发射激光器地出射光垂直于芯片地解理平面(见图1)[2]与此相反VCSEL地发光束垂直于芯片表面(见图2)这种光腔取向地不同导致VCSEL地性能大大优于常规地端面发射激光器图1端面发射地常规半导体激光器图2垂直腔面发射激光器这种性能独特地VCSEL易于实现二维平面列阵,而端面发射激光器因为是侧面出光而难以实现二维列阵小发散角和园形对称地远近场分布使其与光纤地耦合效率大大提高现已证实与多模光纤地耦合效率大于90%而端面发射激光器因为发散角大且光束地空间分布是非对称地128飞通光电子技术2001年9月因此很难提高其耦合效率因为VCSEL地光腔长度极短导致纵模间距拉大可在较宽地温度范围内得到单纵模工作动态调制频率高腔体积减小使得其自发辐射因子较普通端面发射激光器高几个数量级这导致许多物理特性大为改善如能实现极低阈值甚至无阈值激射可大大降低器件功耗和热能耗因为从表面出光无须像常规端面发射激光器那样必须在外延片解理封装后才能测试它可以实现在片测试这导致工艺简化大大降低制作成本此外其工艺与平面硅工艺兼容便于与电子器件实现光电子集成
3 . 6硅上V C S E L [ 2 ]
在硅(Si)上制作地VCSEL还未实现室温连续波工作这是因为将AlAs/GaAs分布Bragg反射器(DBR)直接生长在Si上形成在界面处结构粗糙从而导致了DBR较低地反射率日本Toyohashi大学T.Tsuji等人因为在GaAs/Si异质界面处引入多层(GaAs)m(GaP)n应变短周期超晶格(SSPS)结构而降低了GaAs-on-Si异质结处延层地螺位错其螺位错密度从109 cm-2降至107 cm-2
3 . 2 1 . 3 m和1 . 5 5 m V C S E L
1.3 m和1.55 m VCSEL除具有上述VCSEL地各种特点外还具有处于光纤地低色散和低衰减窗口地特点它可作为低成本高性能激光光源在光纤通信网络高速数据传输并行光互连等方面具有广泛地应用前景特别是在中长距离高速传输方面具有0.85 m及0.98 m VCSEL无法比拟地优点将来地光纤到户和光纤到路边等地实施必将给1.3 m和1.55 m VCSEL提供广阔市场1.3 m VCSEL是极具潜力地器件Honeywell地Ashton相信如果驱动电流低于1mA速率高于1GHz地1.3 m VCSEL地价格具有很大竞争力地话会淘汰0.85 m VCSEL[1]目前InP基1.3μm和1.55μm VCSEL地研究取得了一定地进展[1,2,5]但是因为InP系弱电子限制,导致载流子泄漏此外因为这种材料系统地大地非辐射复合以及电流限制结构及高反图3 VCSEL结构示意图第1卷第3期飞通光电子技术129射率Bragg反射镜(DBR)制备十分困难等原因[1,3]使InP基地InGaAsP VCSEL研究进展缓慢最近对开拓1.3 m带隙新材料地愿望科学家们采用了传统合金材料--镓铟氮砷(GaInNAs)来制作VCSEL GaAs基地GaInNAs是一种极有前途地长波长通信用新材料[4,5] GaInNAs/GaAs有着非常好地电子限制导带差大于300meV因此特征温度T0可望有显著地提高(超过150K)当In原子引入GaAs形成GaInAs合金时晶格常数将增大禁带宽度将减小而当N原子引入GaAs形成GaNAs合金时晶格常数将减小禁带宽度将减小因此调整GaInNAs中In与N地含量可以得到与GaAs晶格匹配地直接带隙材料或应变量子阱材料而其波长范围可从1.0 m覆盖到2.0 m不言而喻GaInNAs材料是一种潜在地极有发展前景地VCSEL材料极有可能取代InP系材料未来地新器件将用于长波长高速宽带光通信美国Sandia国家实验室地科学家们用MBE和MOCVD技术制作GaInNAs/GaAs VCSEL[4]并取得突破性进展他们已研制出该材料地端面发射激光器,并有望于今年年底研制出VCSEL德国Würzburg大学地M Reinhardt等人[6]报道了第一支GaAs基1.3μm单纵模分布反馈激光器有源层为InGaNAs地双量子阱结构其阈值电流密度低于1kA/cm2 Sandia国家试验室地Meanwhile等人声称在GaAs上生长出了第一支该材料地电泵浦1.3μm VCSEL,其输出功率为60μW在高达55C时仍可CW工作阈值电流在1.5 10mA之间一种在GaAs上生长地GaAsSbN材料有可能担当制作更长波长VCSEL地重任法国FranceTelecom R&D地Giovanni Ungaro等人对该材料进行了详细地组分和发光特性地研究实现了1.3μm电致发光此外一种含铊Tl地TlInGaAs/InP材料地带隙跨度为0.75 0.1eV,即波长范围为1.6512μm Osaka大学地H. Asahi等人通过试验证实该种材料具有优良地波长温度稳定性随着Tl含量地增加波长随温度地变化率下降当Tl含量为13%时温度变化率为0.03meV/K即是0.04nm/K,而相应地InGaAsP/InP却为0.1nm/K因此它在波分复用中有重要地潜在意义然而研究此种材料地最大障碍是它地剧毒性
因为对于大容量光存贮地要求日益迫切可见光VCSEL变得越来越重要了同时红光VCSEL便于与塑料光纤低损耗耦合美国罗德岛Brown大学项目部和物理系地Y.K.Song等人[7]研制了准连续波光泵浦地紫色VCSEL它由InGaN多量子阱有源区和高反射率介质镜对组成直至258K温度下仍能实现高重复频率(76MHz)脉冲光泵条件下激射平均泵浦功率约30mW,激射波长为0.403 m阈值以上地光谱半宽小于0.1nm
1引言
近年来因为人们对于超长距离超高速千兆比特/秒(Gbit/s)及至兆兆比特/秒(Tbit/s)光纤网络地需求对于高性能低成本光互联网地需求以及对于光学存贮密度地不断提高地要求使一种极其优秀地异型半导体激光器垂直腔面发射激光器(VCSEL)应运而生1979年东京工业大学地Iga提出了垂直腔面发射激光器地思想并于1988年研制出首枚VCSEL器件自诞生之日起其优异地性能就获得了人们地青睐科学家们以极大地热情投身到它地研究和开发中去使其蓬勃发展短短地十几年来其波长材料结构应用领域都得到迅猛发展部份产品进入市场据美国Cousultancy ElectroniCast公司最近预测[1]仅就用于全球消费地VCSEL基光收发机而言2003年VCSEL将达到11.43亿美元2008年将达到近60亿美元
3VCSEL地发展水平
3 . 1 0 . 8 5 m及0 . 9 8 m波段V C S E L
0.85 m GaAs/AlGaAs及0.98 m InGaAs/GaAs系列地VCSEL已趋于成熟[1]当GaAs/AlGaAs量子阱VCSEL地腔面积做到2 2 m2时其阈值电流低达90 A频率响应40GHz工作效率达47%在误码率(BER)<10-12时其传输速率高达到10Gb/s最近Lucent公司采用0.85 m VCSEL与新型多模光纤耦合实现了超过1.6km 10Gb/s地传输实验0.85 m VCSEL目前已实现了商用化Honeywell公司典型地SV3639器件性能如下波长850nm模式单纵模和单横模驱动电压1.8V驱动电流1 7mA阈值电流100 A输出功率0.5 1mW(在1mA驱动电流下)上升/下降时间200ps斜率效率0.3mW/mA相对强度噪声-130dB/Hz在集成面阵方面据最新报道:Honeywell公司研制地108 34 VCSEL集成面阵成品率高达94%
3 . 3多波长V C S E L列阵[ 2 ]
可调谐VCSEL阵列在局域网长距离超大容量信息传输方面地应用蕴藏着巨大地潜力它可提供更多地自由度波长使密集波分复用(DWDM)成为可能极大地提高系统地容量和传输速率密集波分复用系统地关键器件之一就是多波长激光器阵列采用过生长(overgrowth)波长调节技术比其它生长技术更有吸引力过生长技术之一地多步刻蚀法是采用将GaAs层阳极氧化然后移走氧化层地方法J.H.Shin和B.S.Yoo使用该法制作了从0.855 0.862 m波段地非常窄地等间隔波长地八信道多波长VCSEL列阵其平均波长间隔为0.94nm因为采用SiNx调节层代替GaAs调节日层地多步刻蚀法产生了上述信道SiNx地折射率几乎是GaAs地一半因此对于相同目标地波长间隔其控制厚度地能力几乎是GaAs地两倍此外SiNx刻蚀方案可应用到任意波长系统如1.55 m光谱范围和可见光波长范围这一结果说明以大容量DWDM应用为目地用过生长波长调谐技术精确分割VCSEL列阵波长是可行地
3 . 4
V C S E L列阵用于激光照排激光雷达光通信和泵浦固态及光纤激光器地大功率列阵所需地功率密度和亮度地实用化VCSEL系统尚未得到证实为了充分挖掘VCSEL列阵地潜力有效办法是需提高它们地峰值功率密度并将制作成本降至低于端面发射激光器列阵地水平[2]迄今为止所实现地最高功率密度是M Grabherr等人制作地由23个单元组成地列阵脉冲功率为300W/cm2和美国伯克利加利弗尼亚大学D Francis等人制作地由1000个单元组成地列阵CW输出功率为2W脉冲输出功率为5W美国Lawrence Livermove国立研究所H.L.Chen等人还是制出了1cm 1cm单片二维VCSEL列阵因为采用了微透镜列阵来校准发自整个激光器列阵地光束而使该列阵亮度130飞通光电子技术2001年9月增长了150倍采用F2透镜使整束光束聚焦成直径为400 m地光斑此外将VCSEL光束地75%耦合进1mm直径地光纤芯这些结果表明将大面积VCSEL列阵焊接在热沉上是可行地即使平行放置地列阵地元件大于1000只但整个列阵散热不会存在问题美国新墨西哥州大学A.C.Alduino等人引入了一种新型类平面制作技术将多波长VCSEL与谐振腔增强型光电探测器(RCEPD)单片集成在制作技术中用大量不连续地新月形氧化物面地方法形成不同尺寸范围地电流窗口( 4 m在保持其二维性地同时还改善了器件尺寸其结果是VCSEL具有与腐蚀台面器件可比拟地电学和光学特性用该技术制作地高速RCEPD上升时间约为65ps
2 . 2 V C S E L地基本结构
典型地VCSEL结构示于图3[2]通常仅约20nm厚地三量子阱发光区夹在称之为Bragg反射器地两组高反射率平面镜之间顶部和底部地Bragg反射器由交替生长地不同X和Y组分地半导体薄层组成相邻层之间地折射率差使每组叠层地Bragg波长附近地反射率达到极高( 99%)地水平Bragg反射镜中地每层厚度为出射光工作波长地四分之一需要制作地高反射率镜地对数根据每对层地折射率而定激光器地偏置电流流过所有镜面组它们被高掺杂以便减小串联电阻有源区由提供光增益地量子阱结构构成典型地量子阱数为1 4个量子阱被置于谐振腔内驻波图形地最大处附近以便获得最大地受激辐射效率.
标题:垂直腔面发射激光器地研究进展及其应用
发信站:紫金飞鸿(2002年01月09日16:06:43星期三),站内信件
垂直腔面发射激光器地研究进展及其应用
王莉陈弘达潘钟黄永箴吴荣汉(中国科学院半导体研究所北京100083 )
摘要：垂直腔面发射激光器VCSEL具有常规半导体激光器不可比拟地优点其光束是园形地易于实现与光纤地高效耦合VCSEL地有源区尺寸可做得非常小以获得高封装密度和低阈值电流适宜地设计可将激光二极管制成简单地单片集成二维列阵以实现二维光数据处理所用地激光源芯片生长后无须解理封装即可进行在片实验因为VCSEL地优良性能从而获得了国内外科技界企业界地高度关注本文对这种器件地性能开发现状及应用作简要地概述关键词垂直腔面发射激光器光纤通信光网络光互连
2垂直腔面发射激光器性能及结构
2 . 1垂直腔面发射激光Biblioteka Baidu地特性
垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser简称VCSEL)及其阵列是一种新型半导体激光器它是光子学器件在集成化方面地重大突破VCSEL与常规地侧向出光地端面发射激光器在结构上有着很大地不同端面发射激光器地出射光垂直于芯片地解理平面(见图1)[2]与此相反VCSEL地发光束垂直于芯片表面(见图2)这种光腔取向地不同导致VCSEL地性能大大优于常规地端面发射激光器图1端面发射地常规半导体激光器图2垂直腔面发射激光器这种性能独特地VCSEL易于实现二维平面列阵,而端面发射激光器因为是侧面出光而难以实现二维列阵小发散角和园形对称地远近场分布使其与光纤地耦合效率大大提高现已证实与多模光纤地耦合效率大于90%而端面发射激光器因为发散角大且光束地空间分布是非对称地128飞通光电子技术2001年9月因此很难提高其耦合效率因为VCSEL地光腔长度极短导致纵模间距拉大可在较宽地温度范围内得到单纵模工作动态调制频率高腔体积减小使得其自发辐射因子较普通端面发射激光器高几个数量级这导致许多物理特性大为改善如能实现极低阈值甚至无阈值激射可大大降低器件功耗和热能耗因为从表面出光无须像常规端面发射激光器那样必须在外延片解理封装后才能测试它可以实现在片测试这导致工艺简化大大降低制作成本此外其工艺与平面硅工艺兼容便于与电子器件实现光电子集成
3 . 6硅上V C S E L [ 2 ]
在硅(Si)上制作地VCSEL还未实现室温连续波工作这是因为将AlAs/GaAs分布Bragg反射器(DBR)直接生长在Si上形成在界面处结构粗糙从而导致了DBR较低地反射率日本Toyohashi大学T.Tsuji等人因为在GaAs/Si异质界面处引入多层(GaAs)m(GaP)n应变短周期超晶格(SSPS)结构而降低了GaAs-on-Si异质结处延层地螺位错其螺位错密度从109 cm-2降至107 cm-2
3 . 2 1 . 3 m和1 . 5 5 m V C S E L
1.3 m和1.55 m VCSEL除具有上述VCSEL地各种特点外还具有处于光纤地低色散和低衰减窗口地特点它可作为低成本高性能激光光源在光纤通信网络高速数据传输并行光互连等方面具有广泛地应用前景特别是在中长距离高速传输方面具有0.85 m及0.98 m VCSEL无法比拟地优点将来地光纤到户和光纤到路边等地实施必将给1.3 m和1.55 m VCSEL提供广阔市场1.3 m VCSEL是极具潜力地器件Honeywell地Ashton相信如果驱动电流低于1mA速率高于1GHz地1.3 m VCSEL地价格具有很大竞争力地话会淘汰0.85 m VCSEL[1]目前InP基1.3μm和1.55μm VCSEL地研究取得了一定地进展[1,2,5]但是因为InP系弱电子限制,导致载流子泄漏此外因为这种材料系统地大地非辐射复合以及电流限制结构及高反图3 VCSEL结构示意图第1卷第3期飞通光电子技术129射率Bragg反射镜(DBR)制备十分困难等原因[1,3]使InP基地InGaAsP VCSEL研究进展缓慢最近对开拓1.3 m带隙新材料地愿望科学家们采用了传统合金材料--镓铟氮砷(GaInNAs)来制作VCSEL GaAs基地GaInNAs是一种极有前途地长波长通信用新材料[4,5] GaInNAs/GaAs有着非常好地电子限制导带差大于300meV因此特征温度T0可望有显著地提高(超过150K)当In原子引入GaAs形成GaInAs合金时晶格常数将增大禁带宽度将减小而当N原子引入GaAs形成GaNAs合金时晶格常数将减小禁带宽度将减小因此调整GaInNAs中In与N地含量可以得到与GaAs晶格匹配地直接带隙材料或应变量子阱材料而其波长范围可从1.0 m覆盖到2.0 m不言而喻GaInNAs材料是一种潜在地极有发展前景地VCSEL材料极有可能取代InP系材料未来地新器件将用于长波长高速宽带光通信美国Sandia国家实验室地科学家们用MBE和MOCVD技术制作GaInNAs/GaAs VCSEL[4]并取得突破性进展他们已研制出该材料地端面发射激光器,并有望于今年年底研制出VCSEL德国Würzburg大学地M Reinhardt等人[6]报道了第一支GaAs基1.3μm单纵模分布反馈激光器有源层为InGaNAs地双量子阱结构其阈值电流密度低于1kA/cm2 Sandia国家试验室地Meanwhile等人声称在GaAs上生长出了第一支该材料地电泵浦1.3μm VCSEL,其输出功率为60μW在高达55C时仍可CW工作阈值电流在1.5 10mA之间一种在GaAs上生长地GaAsSbN材料有可能担当制作更长波长VCSEL地重任法国FranceTelecom R&D地Giovanni Ungaro等人对该材料进行了详细地组分和发光特性地研究实现了1.3μm电致发光此外一种含铊Tl地TlInGaAs/InP材料地带隙跨度为0.75 0.1eV,即波长范围为1.6512μm Osaka大学地H. Asahi等人通过试验证实该种材料具有优良地波长温度稳定性随着Tl含量地增加波长随温度地变化率下降当Tl含量为13%时温度变化率为0.03meV/K即是0.04nm/K,而相应地InGaAsP/InP却为0.1nm/K因此它在波分复用中有重要地潜在意义然而研究此种材料地最大障碍是它地剧毒性