光纤通信激光管VCSEL技术进展

2019-11-03 18:21:06

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供稿：网友

张煦　上海交通大学

　　摘要：文章概括地叙述了光纤通信中3种波长0.85、1.3和1.55 μm使用的垂直腔面发射激光管(VCSEL)的材料结构和应用前景.

　　关键词：光纤通信；激光管；垂直腔面发射激光管

　　回忆上世纪90年代有一次，美国Bellcore的李天培(T.P.Lee)博士回到祖国上海，随身携带光纤通信终端使用的一个光源组件，称为垂直腔面发射激光管(VCSEL，Vertical-Cavity Surface Emitting Laser).我们学校的教师们初次看到实物，觉得很新奇，它小巧玲珑，适宜于波分复用(WDM)系统光源的运用.

　　最近从IEEE Communications Magazine 2003 February一期第S30页看到美国加州大学(UC Berkeley)EECS教授发表的关于长波长VCSEL的进展和前景的文章，觉得VCSEL在近年已有明显的进展，而且很可能在未来光纤通信所用光电子器件中发挥很好的实际应用，有着光辉的前景.1 0.85 μm VCSEL

　　最初在1990年～1995年期间制成的VCSEL是供短波长0.85 μm通信使用.主要是用于局域网(LAN)的多模光纤通信，可能有助于组成Gbit/s的Ethernet.每个激光管均由圆片制成，多个激光管具有不同的激光波长可以方便地排成阵列，供多路通信使用，优于早先使用的发光管LED. 0.85 μm VCSEL是由两层分布布拉格反射体(DBR，Distrbuted Bragg Reflector)和中间空腔层构成.空腔层中心是包含多个量子阱的有源区，注入电流就是经过导流结构进至有源区，整个空腔可以在GaAs衬底上一次处延生长.因此这种激光管可以用圆片制造和测试，而这种制造技术是与发光管LED相似的.

　　制造0.85 μm VCSEL的关键技术是简单外延和顶面发射，就是说，整个激光管结构的生长只是一步处延，这就可能增加器件的均匀性，并缩短圆片器件的处理和试验时间.而且，从圆片表面外延边的顶部发射可以容许在器件包装前测试圆片.这些是当初0.85 μm VCSEL制造的特点和优点，对于后来制造长波长1.3和1.55 μm VCSEL起到了很好的参考作用.

2　1.3 μm VCSEL

　　为了制成长波长1.3～1.55 μm的VCSEL，就应先考虑合适的材料，具体地说，1.3 μm的VCSEL应选用半导体Ga1-xInxNyAs1-y作为有源区，以与GaAs衬底相匹配.其中In的x和N的y成份还可以适当调整。如加大In和N的成份，就使直接带隙减小，一般地说，典型的1.3 μm发射需要35%～38%的In和1.5%～2.0%的N.但这样的考虑曾经遇到限制，如利用MOCVD和MBE制成VCSEL，最多只能在1.2 μm获得良好性能.但后来经过精心研究，这种限制得到克服，成功地制成顶部发射的单模VCSEL，波长为1.293 μm，输出功率1.4 mW，能在25℃连续波运用.电注入是通过横向腔的触点，电流就局限于小孔径内.DBR是用GaAs/AlAs层.这样的实验曾证明激光管能够接受数字调制达到10 Gbit/s的速率.另外又有实验把波长再提高到1.55 μm，在较高门限密度进行脉冲运用.

　　上述GaInNAs的VCSEL材料包含N，因而当波长稍增加时将使功率性能显著降低.为了克服这种困难，最近考虑加入Sb，具有GaInNAsSb有源区的VCSEL，可在波长1.3 μm工作，CW输出功率在20℃为1 mW，甚至可在高温80℃情况下运用.这样的VCSEL结构利用p的DBR和氧化物孔径，对于长波长激光管很有用，甚至同样适合于1.55 μm的运用.

　　1.3 μm的VCSEL曾经考虑利用InGaAs的量子点(QD，Guantum dots)的有源区.这种利用量子点的办法可能改进光电子器件的性能，提高增益也便于调整激光波长.最近制成的1.3 μm QD-VCSEL能够发射1.25 mW的功率，并在室温条件供CW运用，它的DBR是利用GaAs/AlOx，电流注入和局限于AlOx孔径.

　　1.3 μm VCSEL的有源区也曾经考虑利用GaAsSb量子阱在GaAs衬底上生长，但因失配较大，很少的量子阱能被利用.最近有报道称1.23 μm VCSEL利用两个GaAs0.665Sb0.335的量子阱作为有源区，又用GaAs/AlGaAs作为DBR，与AlOx作为电流局限孔径.这样能够得到0.7 mA的门限电流，但输出功率很小，仅0.1 mW.

3　1.55 μm VCSEL

　　对于波长在1.45～1.85 μm范围内的VCSEL，曾将InGa(Al)As/InAlAs用于底部的DBR，并用介质/Au于顶部的DBR，产生InGa(Al)As的量子阱，并与InP衬底格匹配.近来将原有设计再加改进：在有源区的顶上，利用n+p+p隧道形让电流注入.又生长埋藏的异质结构，以局限横向电流.这样的埋藏隧道连接(BTJ)可以获得高效的电流注入，并导致很低的门限电压和电阻，而且，用了1.5～2.5对的介质镜，直接装在金的散热架上，使反射率高达99.5%～99.8%，而且散热少，对于激光管功率和温度性能有利.最后将衬底除去，以减小光损失，并从衬底边获取激光发射，这样由底部发射的发射波长为1.55 μm的VCSEL如用5 μm孔径，发射单声横向模，在CW运用20℃可得最大功率0.72 mW.如用17 μm孔径，就可发射2 mW，得到的最大激光温度约为110℃.

　　另一方案是DBR采用AlAsSb和GaAsSb，它们的较大带隙能量差可以导致较大的折射率差，对DBR很适合.在1.55 μm，AlGaAsSb/AlAsSb的折射率差约15%，这几乎相当于AlAs/GaAs的折射率差，大于InGaAs/InAlAs的7.8%和InP/InGaasp的8.5%.不过，它们的导热性能比GaAs和AlAs差得多.用于AlGaAsSb/AlAsSb作为DBR，底部发射的1.55 μm VCSEL只要一次MBE生长就可制成，但这种结构的有源区需要散热措施.这样，可以制成在室温的CW运用，例如在25℃发射0.9 mW，最高温度可以用到88℃.

　　又一方案是DBR采用InP/空气隙，折射率差很大，但导热率太差，须具备足够有效的导热措施.曾经用这种方案制成1.55 μm VCSEL，可提供1.0 mW的单模输出功率，并能在25℃适合CW运用；再有一个方案是DBR采用GaAs/AlGaAs，折射率差大，导热率也高.但AlGaAs的DBR与InP的有源区的圆片熔合可靠性不是太好，须采用特殊措施加以改进.这就是使有源区在InGaAlAs的DBR顶部形成，有一层空腔作为缓冲层，然后沉积松驰的GaAlAs的DBR，好像是介质镜.这样从顶部发射的VCSEL可以适用于1.53～1.62 μm，在15℃发射1.4 mW的单模输出功率.

　　最近，结合使用微机械结构，制成了1.55 μm可连续调谐的VCSEL，调谐范围为22 nm，边模抑制比SMSR大于45 dB.而且这样的可调谐1.55 μm VCSEL可以接受数字信号2.5 Gbit/s的调制，并能在900 nm波长范围内运用，在175 μs以内锁定波长.这种可调谐的、而且调谐性能优良的1.55 μm VCSEL在结构和工艺上，近年还在继续不断地改进以期获得更好的性能，满足实际应用的需要.

4　应用前景

　　近年来，光纤通信技术正在快速向前发展.短波长0.85 μm适合于局域网多模光纤传送计算机数字通信的应用.长波长1.3 μm适合于中短距单模光纤传送模拟图视通信的应用.长波长1.55 μm因具有很宽的低损耗、低色散波段，适合于长途多路通信的应用，尤其在这些波段容许光纤加装密集波分复用(DWDM)系统，使每根单模光纤同时传送多路不同波长的光载波，而每一光载波可各自受电数字信号的调制，因而一根光纤具有很大的数字信号传输容量.这样，可调谐的多波长激光管VCSEL阵列符合1.55 μm的需要，可以发挥很大作用，且具有极其美好的发展前景.

　　附记：本文是根据参考文献编写的关于光纤通信激光管VCSEL的发展和应用的文章.读者如有需要，可深入查阅更多的国外参考文献.

参考文献：

［1］Chang-Hasnain C J, Berkeley V C. PRogress and prospects of long-wavelength VCSELs [J]. IEEE Communications Magazine, 2003(2):30-34.

［2］Shimizu H. First CW Operation of 13 μm range GaInNAsSb VCSELs and VCSELArray [A]. Int'l Semiconductor Lasers conf. 2002 [C]. Germany:2002.

［3］Lin C K. High temperature continuous-wave operation of 1.3-1.55 μm VCSELs with InP/air-gap DBRs [A]. Int'l Semiconductor Lasers Conf. 2002 [C]. Germany:2002.

［4］Sun D. Electrically-pumped directly-modulated 1 550 nm tunable VCSELs[A]. AsiaPacific Opt and Wireless Communication [C]. Shanghai, China:2002.

［5］Chang-Hasnain C J. Tunable VCSEL [J]. IEEE J.Sel.Topics in Quantum Elect.，2002(6):978-987.

摘自　北极星电技术网

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