秦璐 任杰 許興勝 ?

1) (中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083)

2) (中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 材料與光電研究中心, 北京 100049)

垂直腔面發(fā)射激光器通常被用作常溫下850 nm波段短波長(zhǎng)短距離光互連領(lǐng)域的激光光源, 多在室溫下進(jìn)行測(cè)試和使用.在低溫環(huán)境下垂直腔面發(fā)射激光器工作狀態(tài)的表征是本文的研究重點(diǎn).我們表征了在不同溫度下直流驅(qū)動(dòng)垂直腔面發(fā)射激光器的發(fā)光光譜和10%占空比脈沖電流驅(qū)動(dòng)垂直腔面發(fā)射激光器的發(fā)光光譜和功率-電流-電壓曲線.通過(guò)測(cè)試激光器在室溫和10 K溫度下性能的變化, 證明了現(xiàn)有的垂直腔面發(fā)射激光器在低溫下仍能工作, 激光器在10 K低溫環(huán)境下仍可以作為光互連的光源使用, 這一特點(diǎn)使得該激光器的應(yīng)用范圍可拓展至低溫領(lǐng)域, 預(yù)示著垂直腔面發(fā)射激光器在低溫光互連系統(tǒng)中具有應(yīng)用價(jià)值.

1 引 言

垂直腔面發(fā)射激光器[1](vertical-cavity surfaceemitting laser, VCSEL)是一種常用的微腔激光器.在量子阱兩側(cè)通過(guò)材料淀積生長(zhǎng)20對(duì)以上的分布式布拉格反射鏡(distributed Bragger reflector, DBR)結(jié)構(gòu), 每對(duì) DBR 具有高反射系數(shù)(每側(cè)反射率可以達(dá)到99%以上), 形成具有較高品質(zhì)因子(Q值)的微腔激光器結(jié)構(gòu).1979年,日本東京工業(yè)大學(xué)Kenichi Iga教授團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了77 K下InGaAs/InP基VCSEL脈沖激射激光器, 閾值電流為 900 mA[2].2001年, Kucgta 等[3]報(bào)道的氧化孔限制型850 nmVCSEL的調(diào)制速率達(dá)到了20 Gb/s.2003年, 電注入的GaInNAsSb VCSEL實(shí)現(xiàn)脈沖激射, 激射波長(zhǎng)為 1.46 μm, 工作溫度為–10 ℃[4].Moser等利用 GaAs材料制備了波長(zhǎng)為850 nm 的 VCSEL, 并實(shí)現(xiàn)了 81 fJ/bit低功耗高速調(diào)制[5].2006年, Suzuki等報(bào)道了波長(zhǎng)為 1.1 μm的 VCSEL, 調(diào)制速率達(dá)到 25 Gb/s[6]; 2007年, 該課題組再次利用掩埋隧道結(jié)構(gòu)將VCSEL的調(diào)制速率進(jìn)一步提高到 30 Gb/s[7].隨后, Chang 等利用氧化孔限制結(jié)構(gòu)將980 nm的VCSEL的調(diào)制速率提高到 35 Gb/s[8]; 同年, Anan 等研制的 GTJ結(jié)構(gòu)的VCSEL的調(diào)制速率接近40 Gb/s[9].VCSEL的高速特性的研究快速發(fā)展, 研究熱點(diǎn)主要集中在850 nm和980 nm兩個(gè)波段, 向高速率、低功耗和高溫度穩(wěn)定性三個(gè)方向發(fā)展[10,11].2011年, Mueller等報(bào)道了波長(zhǎng)為1550 nm直接調(diào)制帶寬為17 GHz的短腔VCSEL, 實(shí)現(xiàn)了35 Gb/s的無(wú)誤碼大信號(hào)傳輸[12].2013年, Dalir和 Koyama 制備了波長(zhǎng)為980 nm 的 VCSEL激光器, 并實(shí)現(xiàn)了 29 GHz 的調(diào)制帶寬[13]; 同年, Westbergh 等研制的 850 nm 氧化孔限制的 VCSEL在 25 ℃下在 back-to-back模式下調(diào)制速率達(dá)到57 Gb/s的無(wú)誤碼傳輸[14].VCSEL內(nèi)有源層的發(fā)光在DBR諧振腔中形成諧振增強(qiáng), 氧化孔對(duì)注入電流和激光起到限制作用.多年來(lái), VCSEL從起初在低溫77 K下工作、閾值電流高達(dá)900 mA發(fā)展至今, 已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)在室溫下高速穩(wěn)定工作, 其閾值電流大幅降低.雖然VCSEL激光器主要工作于常溫, 但其在低溫領(lǐng)域的應(yīng)用值得重視.目前為止，較大溫度變化范圍和低溫環(huán)境下激光器的光電特性的研究報(bào)道很少.在低溫環(huán)境中, 低溫可降低器件發(fā)熱造成的損傷, 提高器件性能.VCSEL自實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化以來(lái), 常溫下應(yīng)用是其主要目標(biāo), 在低溫下的研究和應(yīng)用很少, 而這并不意味VCSEL激光器的應(yīng)用只能在室溫環(huán)境.隨著低溫技術(shù)的發(fā)展和低溫環(huán)境下應(yīng)用需求的增長(zhǎng), 人們對(duì)低溫信息互聯(lián)的需求也在增加.在低溫領(lǐng)域,VCSEL作為光互連高速光源也將有重要的應(yīng)用前景.

在激光器使用過(guò)程中由于驅(qū)動(dòng)電流的注入使得激光器發(fā)熱, 溫度的升高會(huì)導(dǎo)致激光器的光電特性改變, 降低激光器的使用壽命.在本文的實(shí)驗(yàn)中,主要測(cè)試激光器在低溫環(huán)境下的工作特性, 獲得激光器的低溫工作特性和結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系, 研究結(jié)果將對(duì)激光器在低溫環(huán)境下的應(yīng)用條件和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供依據(jù).本文將測(cè)試并研究商用的VCSEL在295 K至10 K的環(huán)境中的激射光譜和功率-電流-電壓曲線, 證明VCSEL仍能作為低溫光互連的光源使用.我們采用成熟的商用VCSEL進(jìn)行低溫光電特性研究, 低溫環(huán)境下VCSEL激光穩(wěn)定輸出, 是對(duì)成熟的室溫使用的VCSEL器件低溫光電特性的有效驗(yàn)證, 將拓展室溫下常用激光器的使用溫度范圍.

2 直流驅(qū)動(dòng)模式下的光譜和功率-電流-電壓特性

2.1 測(cè)試環(huán)境

實(shí)驗(yàn)使用的低溫設(shè)備為Janis公司的無(wú)液氦低溫致冷設(shè)備, 可以降溫到最低 4.2 K.VCSEL 激光器被固定在低溫真空腔室中, 通過(guò)外接脈沖電壓源對(duì)其進(jìn)行泵浦.在腔室外, 我們搭建了空間光路用以將出射激光導(dǎo)入光譜儀.其中, 低溫腔的真空度保持為 10–6mbar.脈沖電壓源給激光器提供 1.5 V直流驅(qū)動(dòng)電壓.

2.2 直流驅(qū)動(dòng)下激光器光電特性的測(cè)試

我們測(cè)試了從295 K到10 K降溫過(guò)程中激光器的發(fā)光光譜和功率-電流-電壓曲線.通過(guò)測(cè)試的激光器的發(fā)光光譜, 研究激光器光學(xué)特性隨溫度降低的變化規(guī)律.本文實(shí)驗(yàn)使用的激光器為常規(guī)商用的GaAs基、發(fā)光中心波長(zhǎng)為850 nm的VCSEL激光器, 當(dāng)激光器注入電流導(dǎo)致溫度升高時(shí), 激光器性能受到影響[15].由于激光器工作時(shí)溫度升高, 中心波長(zhǎng)發(fā)生紅移, 為了保證激光器的中心波長(zhǎng)穩(wěn)定在850 nm, 器件的設(shè)計(jì)波長(zhǎng)一般略低于 850 nm.相反, 隨著溫度降低, 激光器發(fā)光波長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生藍(lán)移, 這種變化規(guī)律為激光器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了參考.

實(shí)驗(yàn)中, 我們研究了隨著溫度的降低激光器工作特性的變化.測(cè)試發(fā)現(xiàn), 隨著溫度的降低, 激光器的閾值電流不斷上升.當(dāng)溫度降低到10 K時(shí),激光器線性工作驅(qū)動(dòng)電流已經(jīng)達(dá)到20 mA左右,而在室溫下工作電流是7—15 mA.室溫下如果激光器工作在20 mA驅(qū)動(dòng)電流的條件下, 就會(huì)使得激光器無(wú)法正常工作, 即有可能由于驅(qū)動(dòng)電流過(guò)大, 造成器件過(guò)熱, 直接損壞激光器.如果室溫下選擇較低工作電流進(jìn)行測(cè)試, 在低溫環(huán)境下激光器如果還在同樣的驅(qū)動(dòng)條件下就無(wú)法激射, 也就無(wú)法測(cè)試激射光譜.之所以選擇使用恒定電壓進(jìn)行器件驅(qū)動(dòng),因?yàn)橥瑯域?qū)動(dòng)電壓不同溫度下器件電阻改變，從而對(duì)應(yīng)不同的驅(qū)動(dòng)電流, 使激光器處于相對(duì)穩(wěn)定的線性工作區(qū)間.在恒定驅(qū)動(dòng)電壓下測(cè)試不同溫度下光譜和功率-電流-電壓曲線并進(jìn)行對(duì)比, 分析得到閾值電流、微分電阻、中心波長(zhǎng)等隨溫度下降的變化趨勢(shì).在1.5 V直流驅(qū)動(dòng)電壓下, 激光器的室溫工作電流為15 mA.在降溫的過(guò)程中, 保持驅(qū)動(dòng)電壓為1.5 V, 可以使得激光器在直流驅(qū)動(dòng)條件下接近飽和狀態(tài), 使得激光器在發(fā)光強(qiáng)度較大,保障其發(fā)光光譜能較容易被光譜儀測(cè)到.

在降溫測(cè)試光譜過(guò)程中, 保持驅(qū)動(dòng)電壓不變,收集光路保持準(zhǔn)直, 以5 K步長(zhǎng)進(jìn)行降溫, 測(cè)試不同溫度下激光器的發(fā)光光譜.從室溫295 K開(kāi)始降溫, 不同溫度下測(cè)得的光譜如圖1(a)所示.保持直流驅(qū)動(dòng)電壓不變, 溫度持續(xù)下降到10 K, 此時(shí)光譜強(qiáng)度是295 K下的4倍.在整個(gè)降溫過(guò)程中, 激光器都能在直流驅(qū)動(dòng)下正常工作.

圖1 (a)不同溫度下直流驅(qū)動(dòng)垂直腔面發(fā)射激光器光譜; (b)直流驅(qū)動(dòng)下激光器發(fā)光光譜的中心波長(zhǎng)隨溫度變化情況Fig.1.(a) The spectra of VCSEL at different temperatures with direct-current supply; (b) the variation of the center wavelength at different temperatures with direct current.

我們測(cè)試了不同溫度下的激光光譜, 并對(duì)這些光譜采用了洛倫茲函數(shù)進(jìn)行擬合.擬合使用的洛倫茲函數(shù)公式為

其中λc為光譜中心波長(zhǎng),w為光譜的寬度,Aamp為光譜的相對(duì)強(qiáng)度.激光器所處的低溫腔的溫度連續(xù)下降.溫度從 295 K 下降到 265 K 過(guò)程中, 激光器光譜中心波長(zhǎng)λc從 846.8 nm 紅移至 847.6 nm, 然后從 265 K下降到 10 K 過(guò)程中,逐漸藍(lán)移至波長(zhǎng) 842.2 nm, 如圖1(b)所示.

從圖1(b)可以看出, 中心波長(zhǎng)在295 K到10 K之間的總體變化趨勢(shì)向短波長(zhǎng)移動(dòng), 這主要是由溫度對(duì)器件的影響引起的.本文實(shí)驗(yàn)中使用的是常規(guī)VCSEL激光器, 購(gòu)買(mǎi)自Finisa公司, 光譜中心波長(zhǎng)為 850 nm, 帶寬大于 1 GHz, 驅(qū)動(dòng)電流為7—15 mA, 額定功率為 1.5 mW.該激光器是TO封裝的GaAs基量子阱激光器, 工作在850 nm的VCSEL結(jié)構(gòu), 主要包括在GaAs/AlGaAs量子阱有源層兩側(cè)交替生長(zhǎng)GaAs/AlGaAs DBR反射層, GaAs/AlGaAs量子阱作為有源發(fā)光材料位于上下DBR層中間部分[16,17].我們測(cè)試和分析了在大范圍溫度變化過(guò)程中該VCSEL光源的光電特性.DBR反射鏡層和有源材料的折射率隨溫度變化而變化, 增益譜和對(duì)應(yīng)腔模均會(huì)隨著溫度的變化而變化[18?21].當(dāng)溫度升高, 量子阱材料帶隙變窄,增益譜發(fā)生紅移, 同時(shí)腔模模式也向長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng).隨著溫度升高, 電子-空穴復(fù)合概率降低, 非輻射復(fù)合概率增大, 非輻射復(fù)合產(chǎn)生熱量, 從而降低激光器的內(nèi)量子效率.另一方面, 當(dāng)溫度下降, 半導(dǎo)體帶隙變寬, 增益譜和腔模模式均向短波長(zhǎng)方向移動(dòng), 增益譜隨溫度的移動(dòng)速度一般快于腔膜模式隨溫度的移動(dòng)速度, 增益譜和腔膜匹配關(guān)系示意圖如圖2所示.

在295 K到265 K之間，測(cè)得器件中心波長(zhǎng)產(chǎn)生了紅移.紅移現(xiàn)象主要是由于在較高溫度環(huán)境下電流注入導(dǎo)致器件局部升溫造成的.在295 K下降到265 K的過(guò)程中, 由于激光器處于較高溫度狀態(tài)，激光器局部發(fā)熱, 器件局部熱量和低溫腔交換速率較慢, 器件局部溫度升高, 導(dǎo)致激光器中心波長(zhǎng)紅移.在265 K附近, 激光器局部發(fā)熱受到低溫環(huán)境的影響最小, 激光器中心波長(zhǎng)達(dá)到最大值 847.6 nm.當(dāng)溫度進(jìn)一步降低, 激光器的中心波長(zhǎng)也隨之藍(lán)移, 這一現(xiàn)象主要是由于激光器腔模模式和增益譜中心波長(zhǎng)藍(lán)移引起的.當(dāng)環(huán)境溫度低于265 K, 由驅(qū)動(dòng)電流引起的局部發(fā)熱被低溫環(huán)境逐漸抵消, 激光器有源區(qū)紅移效果逐步減弱, 隨著溫度的持續(xù)下降, 有源層增益譜中心波長(zhǎng)開(kāi)始藍(lán)移, 腔模模式同時(shí)向短波長(zhǎng)方向移動(dòng), 藍(lán)移效果逐漸增強(qiáng), 激光器的中心波長(zhǎng)由于這兩種因素的共同影響向短波長(zhǎng)方向移動(dòng).在低溫腔降溫過(guò)程中, 保持激光器的驅(qū)動(dòng)電壓不變, 局部升溫產(chǎn)生的熱量近似不變, 但是低溫腔溫度會(huì)持續(xù)降低.隨著環(huán)境溫度的降低, 激光器與環(huán)境熱量交換速率加快, 腔體降溫吸收熱量的速率逐漸大于激光器局部產(chǎn)熱的速率, 激光器從265 K繼續(xù)降溫時(shí)，發(fā)光中心波長(zhǎng)逐漸藍(lán)移, 這一過(guò)程將一直持續(xù)到測(cè)試的極限溫度4.2 K.商用VCSEL激光器在10 K環(huán)境中仍能正常工作, 與室溫下的激光譜相比, 其藍(lán)移波長(zhǎng)只有 5.4 nm, 激光穩(wěn)定輸出.

圖2 室溫條件下的增益譜線與腔膜模式匹配示意圖Fig.2.Schematic diagram of cavity mode and spectrum of VCSEL.

如圖3(a)所示，在 295 K—10 K 溫度范圍，我們測(cè)得激光器激射光譜的寬度隨溫度降低基本保持在 0.6 nm 左右, 波動(dòng)范圍為 0.5—0.75 nm, 波動(dòng)幅度為 0.25 nm, 在 294—125 K 溫度范圍內(nèi), 激光器發(fā)光光譜的光譜寬度基本保持不變.隨著溫度降低到125 K以下, 激光光譜寬度呈現(xiàn)下降趨勢(shì),在 10 K 左右達(dá)到 0.55 nm.

GaAs基VCSEL激光光譜的相對(duì)強(qiáng)度Aamp隨溫度下降呈增長(zhǎng)趨勢(shì), 如圖3(b)所示, 在295 K到 265 K 之間存在一個(gè)尖峰, 從 265 K 到 50 K 之間光譜強(qiáng)度呈緩慢上升趨勢(shì), 在50 K到10 K之間, 光譜強(qiáng)度快速增加.激光器發(fā)光光譜強(qiáng)度在10 K左右可以達(dá)到 250 K時(shí)的 4倍.光譜強(qiáng)度在265—290 K 之間存在峰值, 峰值出現(xiàn)在 280 K.由圖1(b)可以發(fā)現(xiàn), 在265—295 K這一溫度范圍內(nèi)發(fā)光光譜中心波長(zhǎng)發(fā)生了紅移.激光器的腔模模式和增益譜線均具有隨溫度升高向長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng)、隨溫度降低向短波長(zhǎng)移動(dòng)的規(guī)律, 但是二者隨溫度的移動(dòng)速度不同.265—295 K的溫度區(qū)域中器件的電流注入引起局部升溫現(xiàn)象占主導(dǎo), 初始腔模模式在增益譜譜線右側(cè).由于增益譜線與腔膜模式均發(fā)生紅移, 增益譜線隨溫度升高紅移移動(dòng)速度快于腔模模式隨溫度升高的紅移速度, 增益譜線和腔膜模式在 280 K 匹配最佳, 進(jìn)而得到 265—295 K區(qū)域之間的光譜峰值較高.在280 K后溫度繼續(xù)下降,腔模和增益譜線不再完全匹配, 導(dǎo)致激光器發(fā)光強(qiáng)度下降.在260 K后, 激光器主要處在不斷降溫過(guò)程中, 環(huán)境的降溫過(guò)程占主導(dǎo), 激光器的增益譜線和腔模同時(shí)藍(lán)移.隨著溫度降低, 電子-空穴非輻射復(fù)合概率降低, 輻射復(fù)合概率增加, 量子阱材料發(fā)光的內(nèi)量子效率增加, 導(dǎo)致從260 K到50 K降溫區(qū)間發(fā)光光譜強(qiáng)度不斷增加.在50 K到10 K的降溫區(qū)間中, 激光器發(fā)光強(qiáng)度增長(zhǎng), 這種現(xiàn)象不僅與溫度降低器件量子效率增加相關(guān), 也和溫度降低導(dǎo)致器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化有關(guān), 在小于50 K低溫下觀察到了激光器出射光斑改變的現(xiàn)象.

3 脈沖驅(qū)動(dòng)模式下的光譜及功率-電流-電壓特性

3.1 脈沖電流驅(qū)動(dòng)下的激光器光譜

直流驅(qū)動(dòng)激光器會(huì)產(chǎn)生明顯的局部升溫, 在較高溫度范圍使激光器發(fā)光中心波長(zhǎng)產(chǎn)生紅移.局部升溫會(huì)增加激光器的串聯(lián)電阻, 影響激光器的發(fā)光性能.局部發(fā)熱會(huì)導(dǎo)致器件的熱損傷.為了降低器件局部發(fā)熱現(xiàn)象的發(fā)生, 我們采用脈沖電流驅(qū)動(dòng)VCSEL進(jìn)行測(cè)試, 其中基本測(cè)試環(huán)境和2.1節(jié)中的一致.

圖3 直流驅(qū)動(dòng)下激光器發(fā)光光譜隨溫度的變化 (a) 激光光譜寬度隨溫度變化情況; (b) 激光強(qiáng)度隨測(cè)試溫度的變化Fig.3.The variation of spectral parameters at different temperatures with direct current.(a) The spectrum width varying with temperature; (b) the intensity varying with temperature.

在295 K溫度下, 使用低占空比的脈沖電流進(jìn)行泵浦, 可以有效地減少器件的局部發(fā)熱, 保護(hù)器件的同時(shí)獲得更好的激光器性能.但是降低占空比會(huì)引起激光器發(fā)光強(qiáng)度的下降, 對(duì)比圖4(a)和圖1(a)可以看出, 直流驅(qū)動(dòng)下測(cè)試得光譜的強(qiáng)度比10%占空比脈沖電流驅(qū)動(dòng)的測(cè)試光譜的強(qiáng)度高6 倍左右.在 10 K 溫度下, 10% 占空比脈沖電流驅(qū)動(dòng)和直流驅(qū)動(dòng)測(cè)試得到的器件發(fā)光光譜明顯不同.在低溫10 K測(cè)試環(huán)境下, 直流驅(qū)動(dòng)激光器仍可以保持激射狀態(tài), 且發(fā)光強(qiáng)度比常溫更強(qiáng).但是在電壓幅值同為1.5 V的10%占空比脈沖驅(qū)動(dòng)下, 器件在低溫25 K附近時(shí)已接近激射閾值條件, 如圖4(b)所示, 激射光譜的強(qiáng)度只有250, 且在835 nm附近出現(xiàn)寬光譜熒光包絡(luò).

在10%低占空比、驅(qū)動(dòng)電壓為1.5 V的測(cè)試條件下, 圖4(c)所示的激光光譜的中心波長(zhǎng)λc隨溫度下降的藍(lán)移過(guò)程可以近似為線性變化, 這主要是因?yàn)?0%占空比脈沖電流驅(qū)動(dòng)條件下激光器受注入電流產(chǎn)生的局部發(fā)熱的影響明顯降低, 低溫腔的降溫對(duì)激光光譜中心波長(zhǎng)藍(lán)移起主要作用.如圖4(d)所示，脈沖驅(qū)動(dòng)下光譜寬度w參數(shù)隨溫度的變化趨勢(shì)與直流驅(qū)動(dòng)測(cè)試的圖3(a)中的曲線類似, 隨溫度的降低, 光譜寬度在 0.5—0.8 nm之間波動(dòng).相較于直流驅(qū)動(dòng), 隨著溫度下降, 光譜寬度有所減小, 最小值達(dá)到 0.5 nm.

3.2 脈沖驅(qū)動(dòng)下激光器的功率-電流-電壓特性

在激光器測(cè)試過(guò)程中, 隨著溫度降低, 閾值電流逐漸增加, 在 25 K 時(shí), 同樣的驅(qū)動(dòng)電壓（1.5 V）下, 激光器的驅(qū)動(dòng)電流已經(jīng)很接近閾值電流, 激光器處于激射和熒光發(fā)光的共存狀態(tài), 光譜的波長(zhǎng)產(chǎn)生較大藍(lán)移.在 11 K 溫度下, 驅(qū)動(dòng)電流為 11.44 mA,根據(jù)圖5(a)中的功率-電流曲線得出的閾值電流是 13.41 mA, 此時(shí)驅(qū)動(dòng)電流已經(jīng)低于閾值電流, 激光器處于熒光發(fā)光狀態(tài), 所測(cè)得的光譜不再是激射光譜, 光譜產(chǎn)生非對(duì)稱性變化, 難以采用洛倫茲函數(shù)準(zhǔn)確擬合.同樣地, 10%占空比脈沖電流驅(qū)動(dòng)下,在 295 K 的環(huán)境溫度下, 從圖5(b)中可以看出, 激光器的閾值電流只有 5.04 mA, 11 K 測(cè)試情況下的閾值電流是在295 K情況下的2.66倍.從圖5(a)和(b)中的功率-電流曲線可以看出, 即使將占空比降低到10%, 驅(qū)動(dòng)電流的注入仍然不可避免地造成了器件的局部發(fā)熱.在295 K條件下, 功率-電流曲線上升到達(dá)第一個(gè)臺(tái)階 (31.47 mA)后繼續(xù)上升, 達(dá)到峰值39.73 mA后開(kāi)始下降.而在11 K條件下, 功率-電流曲線經(jīng)過(guò)第一個(gè)臺(tái)階后功率-電流曲線繼續(xù)上升, 沒(méi)有達(dá)到飽和, 說(shuō)明在11 K的環(huán)境溫度下抵消了更多的熱量, 使得激光器的飽和點(diǎn)向更大的電流方向移動(dòng).

圖4 不同溫度下 10% 占空比脈沖電流驅(qū)動(dòng)器件特性測(cè)試結(jié)果.(a) 295 K 條件下激光光譜; (b) 25 K 條件下激射光譜; (c) 中心波長(zhǎng)隨溫度的變化曲線; (d)光譜寬度隨溫度的變化曲線Fig.4.The result of the VCSEL driven by pulse current with 10% pulse duty cycle at different temperatures.(a) The lasing spectrum at 295 K; (b) the lasing spectrumat at 25 K; (c) the relationship between the center wavelength and temperature; (d) the relationship between the spectral width and temperature.

圖5 溫度對(duì)10%占空比脈沖驅(qū)動(dòng)的激光器光電特性的影響 (a) 11 K溫度下10%占空比脈沖電流驅(qū)動(dòng)下功率-電流-電壓曲線; (b) 295 K 溫度下10%占空比脈沖電流驅(qū)動(dòng)下的功率-電流-電壓曲線; (c)閾值電流隨溫度的變化曲線; (d)微分電阻隨溫度的變化曲線.Fig.5.The opoto-electrical properties of the VCSEL driven by pulse current with 10% duty cycle at various temperatures.(a)11 K; (b) 295 K; (c) the laser threshold current as function of temperature; (d) the differential resistance as function of temperature.

如圖5(c)所示, 隨著激光器工作環(huán)境溫度下降, 閾值電流呈增加的趨勢(shì).這是由于激光器增益譜與腔模模式隨溫度降低以不同速度向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)造成的.雖然移動(dòng)方向一致, 但是移動(dòng)速度不同, 這導(dǎo)致腔模模式和增益譜之間的間隔隨溫度下降越來(lái)越大, 需要更高的能量注入才能使得激光器激射.溫度降低的同時(shí)會(huì)造成微分電阻升高, 如圖5(d)所示, 在 295 K到 230 K 之間微分電阻(dV/dt)變化較為平緩, 從 230 K 到 11 K 降溫區(qū)間微分電阻整體呈上升趨勢(shì), 在11 K溫度下微分電阻為 50 W.

10%占空比脈沖電流驅(qū)動(dòng)測(cè)試代表了低頻的脈沖驅(qū)動(dòng)條件, 圖5中的橫坐標(biāo)電流為激光器峰值電流, 按照占空比進(jìn)行折算, 平均電流只有其十分之一.使用的VCSEL激光器是商用的高速器件,在光互連網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用.10%占空比脈沖電流驅(qū)動(dòng)在低溫下的測(cè)試結(jié)果證明了商用高速激光器在低溫光互連中有著廣闊的應(yīng)用空間, 可以將室溫的諸多應(yīng)用擴(kuò)展到低溫環(huán)境中, 為低溫環(huán)境的光互連研究提供可靠的高速光源.

4 結(jié) 論

我們實(shí)驗(yàn)研究了垂直腔面發(fā)射激光器在低溫下的發(fā)光特性.激光器隨環(huán)境溫度的降低, 激光中心波長(zhǎng)呈藍(lán)移趨勢(shì).直流驅(qū)動(dòng)下環(huán)境溫度降低和注入電流引起的局部升溫之間會(huì)發(fā)生熱量交換, 導(dǎo)致激光光譜先紅移再藍(lán)移.低占空比脈沖電流驅(qū)動(dòng)下激光器由于電流注入發(fā)熱較少, 在降溫過(guò)程中光譜不會(huì)發(fā)生紅移.中心波長(zhǎng)為850 nm的垂直腔面發(fā)射激光器在環(huán)境溫度從295 K下降到10 K的過(guò)程中, 激光中心波長(zhǎng)藍(lán)移僅約 5 nm, 并能在 10 K溫度下穩(wěn)定工作; 激光器光譜寬度近似保持不變,激射光譜強(qiáng)度隨溫度降低而增強(qiáng); 同時(shí), 激光器微分電阻和閾值電流有所增加.另外, 在低溫下, 較小的直流偏置可以保持激光器的正常工作, 有望實(shí)現(xiàn)基于垂直腔面發(fā)射激光器低溫光互連.本文著重測(cè)試和研究了商用VCSEL在低溫下的發(fā)光特性,對(duì)商用VCSEL在低溫下作為激光光源、實(shí)現(xiàn)低溫光互連具有一定的指導(dǎo)意義.