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用于数据通信和传感的垂直腔面发射激光器
作者：刘安进，Phip Wolf，James A. Lott, Dieter Bimberg
(2019年1月9日出版于光子学研究)
垂直腔面发射激光器（VCSELs）是数据通信和传感的理想光源。在数据通信中，基于先进的器件设计和调制格式，实现了大数据速率和优异的能量效率以及温度稳定性。由于VCSELs具有体积小、功耗低等优点，在光子集成电路中也有很好的应用前景。此外，VCSELs通常用于消费电子市场的广泛应用。这些应用范围从激光鼠标到三维传感和成像，包括各种三维运动检测，如手势识别或人脸识别。新型VCSEL类型将包括元结构，表现出额外的独特特性，对下一代数据通信、传感和光子集成电路具有最大的重要性。
- 介绍
半导体异质结激光器是光科学（光子学）统治下的互联网社会的关键使能器件。这种激光器的突出特点是电能转换为光子的效率高、占地面积小、调制带宽大、可靠性好、成本低。重要的应用领域包括光通信、光存储、传感、打印、其他激光泵浦和微创手术。垂直腔面发射激光器（VCSEL）是在多个研究小组的思想和贡献下产生的。第一个垂直于半导体晶圆表面发射的半导体激光器可追溯到Melngailis的工作。Soda等人展示了在InP衬底上的表面发射半导体激光器，该激光器具有90mu;m长的腔体和在77k下工作的平面金属反射镜，这通常被认为是VCSEL的灵感来源。自从早期关于表面发射激光二极管的出版物（与使用光栅产生垂直于传统水平法布里-珀罗腔晶圆表面的激光的想法不同）以来，许多研究小组对我们现在称之为VCSEL的器件的发展和改进作出了贡献，包括使用半导体分布布拉格反射器（DBR）作为反射镜的开创性想法、使用DBR形成表面发射激光器、使用放置在光腔中的光场强度波腹处的量子阱（QW）和使用氧化物光阑。从20世纪80年代到现在，许多研究小组在VCSELs、VCSEL阵列和VCSEL应用方面做出了许多其他重大的开创性贡献。这些贡献太多了，无法在这里详细列出或充分描述。尽管如此，我们还是要向那些杰出的研究人员致敬，他们引领了VCSEL从20世纪60年代到现在的史诗之旅。大约在20世纪80年代到现在，外延生长和器件处理方案的重大进展也为VCSELs的发展做出了重大贡献。
现代VCSEL是由两个沿垂直方向排列的DBRs构成一个垂直的激光腔，光输出沿垂直于晶圆的外延生长方向。这种独特的器件结构与边缘发射激光器有很大的不同，使得VCSEL与其他类型的半导体激光器相比具有许多显著的优点和性能。腔体积小，阈值电流低，量子效率高，在低电流下实现高速调制。VCSEL的对称横向结构和表面发射产生圆形和非散光光束，有利于光纤和其他光学器件的耦合。表面发射也使大规模的二维（2D）VCSEL阵列和晶圆级制造和测试，总体制造成本较低。
VCSELs在关键的光子学应用领域经历了指数增长，例如在数据通信、光学传感、激光打印、光探测和测距（LiDAR）以及照明等领域，仅举几个例子。在这篇论文中，我们将集中讨论基于GaAs的VCSELs，用于850-1000nm的数据通信和传感。我们在第2章中的概述适用于基于InP和GaN的VCSELs，如参考文献所述。
- VCSEL的基本结构
2.1VCSEL的结构
现代VCSEL是通过将光腔中的增益区域与两个高反射DBRs组合起来形成垂直谐振器来构建的，如图2.1所示。
图2.1高速VCSEL被切割后横截面的扫描电子显微镜图像。
增益区主要是一组一个或多个量子阱或量子点片，这些量子点聚在一起，位于垂直谐振器谐振时驻波的中心波腹处，以提供有效的光放大。DBRs由高折射率和低折射率材料的交替层组成，其中每层的光学厚度为四分之一波长。DBR反射镜在谐振设计波长处的功率反射率（R）为0.99或更大。顶部和底部金属触点向中心有源增益区注入电流。富铝藻类层的选择性热氧化形成氧化孔。这些氧化层的厚度通常为20-30nm，限制了电流，同时引导VCSEL内的光场强度。利用氧化孔径可以有效地降低光损耗，降低阈值电流，提高VCSEL的功率转换效率。当DBR的R小于0.999，而底部DBR镜的R接近1.0时，上耦合DBR可以发出输出光。一般来说，耦合DBR镜的发射波长在0.98到0.999之间具有R。或者，可以通过增加DBR周期的数量将顶部DBR的R设置为接近1.0，而将底部DBR的R设置为低于0.999，这样VCSEL发射可以向下穿过基板并进入自由空间（通常进入空气）。在这种情况下，理想情况下，基板对激光波长透明，因此底部DBR的功率吸收率为零。
2.2 VCSEL的动力学
图2.2示出了VCSEL与高频驱动源的小信号模型，该驱动源由电压源和特性阻抗组成。
图2.2 高频驱动VCSEL的小信号模型
半导体激光器的动力学行为可以用速率方程模型来描述。VCSEL的调制速率受到固有阻尼、自热效应和寄生电流的限制。半导体激光器的本征调制响应可用传递函数表示
, (1)
其中A是常数，是弛豫共振频率，是虚单位，是阻尼系数。
弛豫共振频率是激光腔中通过受激发射相互作用的载流子和光子之间的振荡频率。弛豫共振频率随偏压电流平方根的增大而增大，公式如下
(2)
其中D因子是
(3)
其中为阈值电流，为光限制因子，为内部量子效率，为光子群速度，为激活区体积，part;g/part;n为微分增益，为传输因子。
阻尼因子限制了激光二极管的可实现带宽和弛豫共振频率，导致随着的增大，频率响应变平缓。频率响应是VCSELs用于数据传输的一个普遍期望的优点，因为这可以改善光学开孔，从而提高可实现的无差错比特率。阻尼系数随松弛共振频率的增加而增加，如下式所示：
(4)
其中K因子是
(5)
为光子寿命，ε为增益压缩因子。阻尼偏移量与差分载流子寿命成反比
为了获得高调制带宽，优选大D因子和合理低K因子，即我们使用应变QWs寻求高微分增益，通过调谐顶部DBR的相位来获得低光子寿命，通过使用短腔和小氧化孔径来获得高限制因子。实际上，弛豫共振频率和阻尼因子不会分别随和线性增加，这是由于在高电流下出现的热效应和附加损耗机制。通过降低VCSEL的串联电阻、使用具有高导热系数的DBRs、使用镀铜散热器和将VCSEL芯片与高效散热器结合，可以消除高速VCSELs中的热效应。
包括焊盘在内的寄生电最终限制了VCSEL的调制带宽。电寄生引入的传递函数可以用单极低通滤波器传递函数表示为
(6)
其中B是常数，是寄生截止频率。寄生电阻主要由DBRs的串联电阻、结电阻和氧化孔径引起的电阻共同贡献。寄生电容主要来源于本征二极管结、一层或多层氧化物、包含孔径的台面区域和金属接触垫。为了降低寄生电阻，在保持吸收损耗最小的情况下，采用了对DBRs中的导带和价带界面以及调制掺杂剖面的修改。厚绝缘材料，如聚酰亚胺和苯并环丁烯（BCB），在信号板下方具有低介电常数，用于使台面平坦化并降低板电容。多个深度氧化层和质子注入也被用来降低台面电容。
VCSEL的整体电小信号调制响应是通过将本征传递函数与寄生电引入的传递函数相乘得到的，因此
, (7)
其中C是常数。
- 数据通信用VCSEL
VCSELs是数据中心和高性能计算机（HPCs）中基于多模光纤（MMF）的光链路的主要光源。由于网络流量逐年呈指数级增长，为了满足人们对传输数据速率越来越高的需求，宽带调制是必不可少的，数据中心和高性能计算机的功耗也越来越大。即使采用先进的冷却技术，散热也会导致工作环境温度达到85°C。最新的通信系统设计寻求开发更节能的VCSELs，并且能够在不调整工作参数的情况下将其室温调制比特率保持在高温下。
3.1 VCSEL的调制速度
表3.1列出了在过去十年中一些典型的报告调制带宽和通过背靠背测量配置中标准开关键控调制格式得到的VCSELs无差错比特率
表3.1 使用背靠背数据传输配置中的标准开关键控在室温下VCSELs的调制带宽和比特率
无误比特率由传输测试确定，其中报告的误比特率（BER）小于。850nm波长目前是基于使用标准OM3、OM4或新OM5 MMFs的系统的数据通信标准。最初，传统的850纳米 VCSELs采用以AlGaAs为阻挡层的非应力GaAs量子阱。2008年，报道了一种6mu;m氧化物孔径VCSEL（GaAs-QWs）在25℃下的最高数据速率为30Gbps。InGaAs量子阱具有比非应力GaAs量子阱更大的差分增益，并被用于现代高速VCSELs，用于850纳米或近850纳米的发射。2009年，查尔默斯理工大学（CUT）利用InGaAs量子阱和双氧化物层实现了25°C下32 Gbps的无差错数据传输。同年，柏林理工大学（TU）报告了39 Gbps的无差错传输速率和25°C下40 Gbps的睁眼操作。2012年，CUT演示了一种高速VCSEL，在25°C时具有44 Gbps的无差错传输和28 GHz的调制带宽。这一结果是通过使用半波长腔来改善传输和更大的纵向光限制、添加四层层来减少寄生和通过浅表面刻蚀来调节光子寿命来实现的。后来，报告了在25°C、带宽为24GHz、3dB的VCSEL中57 Gbps的无差错传输。在CUT和国际商业机器公司（IBM）的合作下，这种无差错传输速率被推到了71Gbps，并实现了两次抽头前馈均衡。利用半波长腔、四层深氧化层、调谐光子寿命和在光腔的n-DBR和p-DBR两侧各有一个氧化层孔径，对直径为3.5mu;m的氧化层VCSEL实现了30Ghz的调制带宽。
其他研究小组也报道了在850nm范围内高速VCSELs的许多令人兴奋的结果。IBM和Finisar在2012年联合报告了55 Gbps直接调制850 纳米VCSEL光链路，在2013年报告了56.1Gbps链路。在2015年，Shi等人报告了一个在25°C下以41Gbps的速度进行睁眼手术的VCSEL。这一组使用氧化物浮雕结构来减少寄生和锌扩散，以将光学孔径定义为窄光谱宽度并降低微分电阻。2016年，伊利诺伊大学Urbana-Champaign（UIUC）的一个小组报告了一种高速850纳米VCSEL，在50Gbps速率下无差错传输，3dB调制带宽为28.2GHz。
在980到1100纳米范围内发射的VCSELs现在对于数据通信，尤其是波分复用和自由空间光通信，变得越来越重要。与850nm波长范围相比，特别是980nm和1100nm波长范围受益于标准OM3和OM4 MMF中更大的温度不敏感性、更低的色散和更低的传输损耗、更高的光电探测器灵敏度和更高的眼睛安全性。在980或1100nm发射的InGaAs量子阱具有较大的差分增益和较低的透明载流子密度，具有较高的转换效率、较低的阈值电流、较高的调制带宽和较高的可靠性。
2007年，加州大学圣巴巴拉分校（UCSB）的Coldren小组用980纳米 VCSEL演示了35 Gbps的无差错操作。这种VCSEL使用了一个锥形的氧化物孔径来降低光损耗，使用多个深氧化层来降低寄生电容，并在顶部DBRs中优化了p掺杂剖面以降低损耗和电阻，显示出大于20Ghz的3dB调制带宽。2011年，TU Berlin演示了一种980 nm VCSEL，通过使用调制掺杂和二元DBR将腔长缩短至半波长，在25℃下实现高达44 Gbps的无差错传输。利用半波长厚的光腔，调节VCSEL的光子寿命，包括电流扩展层，在25℃下证明了980nm的VCSELs具有50Gbps的无差错传输和约27GHz的3dB调制带宽。2017年，TU Berlin报道了采用简化外延层设计的简单VCSEL，其3dB小信号调制带宽为31–34GHz。这种1.5-2.5mu;m氧化孔径VCSEL在光腔的n-DBR和p-DBR两侧都有一个半波长腔和一个氧化孔径，用于强光场和载流子限制，但没有任何深的氧化层。这种简单的VCSEL结构有望提高可靠性，并可能简化101.6mm或更大直径VCSEL晶片的制造。2018年，同一家TU Berlin集团报告了其980 纳米 VCSELs的35.5 GHz新记录带宽。
对于在1100nm或接近1100nm处发射的VCSELs，日本电气株式会社（NEC）在2006年演示了在25°C和高达20GHz的3dB调制带宽下的无差错25Gbps操作。在30Gbps和40Gbps的无差错操作下，使用埋式II型隧道结实现了24GHz的3dB调制带宽。
目前，超过90%的MMF链路小于100米。随着数据中心变得永久性的更大，以20-25 Gbps的速率传输到2000万欧元的长距离光链路是可取的。由于模式色散，用多模VCSEL在2公里范围内实现20-25Gbps的无差错传输具有挑战性。为了解决模式色散问题，我们寻求具有高边模抑制比（减小频谱宽度）的VCSELs用于长距离传输。对于光谱宽度减小的VCSELs，直接的方法是减小氧化孔径。2013年，TU Berlin报告称，在850 nm处，使用3mu;m氧化孔径VCSEL，在1 km OM4 MMF上传输25 Gbps。CUT使用表面浮雕方法控制模式，并报告2014年在850nm处，通过带6mu;m氧化孔径和3mu;m光学孔径VCSEL的2km OM4 MMF传输20Gbps。表面浮雕VCSELs显示出比氧化孔径减小的VCSELs更低的电流密度，要求更复杂的制造和更高的阈值电流。
此外，还开展了一些研究工作，以探索具有横向耦合腔的非常规VCSELs，以获
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