邢茹萍，馬淑芳，單恒升，劉青明，侯艷艷，黃佳瑤，許并社,2

(1.陜西科技大學(xué)前沿科學(xué)與技術(shù)轉(zhuǎn)移研究院 材料原子·分子科學(xué)研究所，陜西 西安 710016)(2.太原理工大學(xué) 新材料界面科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

1 前 言

垂直腔面發(fā)射激光器(vertical cavity surface emitting laser，簡(jiǎn)稱VCSEL)是一種新型的半導(dǎo)體激光器，目前已成為光通訊、光互聯(lián)、高速局域網(wǎng)、3D傳感等眾多領(lǐng)域的理想光源[1, 2]。在高速遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸中，一般采用量子阱激光器及光譜寬度較窄的分布反饋式激光器。而對(duì)于中短距離的光纖數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，如超級(jí)計(jì)算機(jī)中心、光纖到戶(FTTH)工程、芯片間互聯(lián)等，VCSEL發(fā)揮著更為重要的作用。相對(duì)于邊發(fā)射激光器，VCSEL具有較小的發(fā)散角、圓形的輸出光斑、易于實(shí)現(xiàn)二維陣列集成、閾值低、穩(wěn)定性好、調(diào)制速率高等優(yōu)點(diǎn)[3, 4]，與并行光傳輸以及并行光互連等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)傳輸需求完美對(duì)應(yīng)，以極大的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于單通道和并行光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，成為了寬帶以太網(wǎng)、高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)中關(guān)鍵的光電子器件。另外，近年來(lái)VCSEL在輸出功率、數(shù)據(jù)傳輸速度、光束質(zhì)量、光電轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定性等方面實(shí)現(xiàn)了巨大的突破，同時(shí)在3D傳感、激光打印、光探測(cè)與測(cè)距等光電子領(lǐng)域也開拓了新應(yīng)用[4, 5]。

近年來(lái)，隨著寬帶語(yǔ)音和視頻數(shù)據(jù)的融合，網(wǎng)絡(luò)流量快速增長(zhǎng)，人類已經(jīng)進(jìn)入到光纖通信、移動(dòng)通信和高速寬帶信息網(wǎng)絡(luò)的時(shí)代，對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸速率與數(shù)據(jù)處理能力提出了更高的要求，使得高速VCSEL逐漸成為高速光通訊與光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的主要光源之一[6, 7]。因此，深入研究影響VCSEL的高速調(diào)制特性，提高傳輸速率和調(diào)制帶寬迫在眉睫。850 nm波段具有低傳輸損耗、高調(diào)制速率、生長(zhǎng)技術(shù)成熟等特點(diǎn)，在短距離數(shù)據(jù)通訊方面已展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。而作為光纖另一個(gè)低損耗窗口的980 nm波段，其相比于850 nm波段具有更好的溫度穩(wěn)定性和低功率損耗。850和980 nm兩個(gè)近紅外波段VCSEL作為短距離光傳輸?shù)暮诵钠骷涓咚傩阅軟Q定了整個(gè)光傳輸和光互聯(lián)的傳輸性能。因此，近年來(lái)研究者從影響VCSEL的高速調(diào)制物理機(jī)制和影響高速性能的主要因素出發(fā)，不斷優(yōu)化VCSEL的外延結(jié)構(gòu)與工藝條件，使VCSEL的高速特性得到了迅速提高。

本文首先介紹了VCSEL的器件結(jié)構(gòu)，然后從影響VCSEL高速性能的因素出發(fā)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，綜述了近年來(lái)850和980 nm波段VCSEL在實(shí)現(xiàn)更高傳輸速率、高調(diào)制帶寬性能方面的研究進(jìn)展，最后對(duì)VCSEL未來(lái)的發(fā)展前景做了展望。

2 VCSEL的器件結(jié)構(gòu)

VCSEL器件是通過(guò)金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)或分子束外延(MBE)技術(shù)在GaAs襯底上沉積而成。其結(jié)構(gòu)包括高反射率(>99%)的上下分布的布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector, DBR)、有源區(qū)、氧化限制層、接觸電極等，如圖1所示[8]。有源區(qū)主要是量子阱(QW)或量子點(diǎn)(QD)結(jié)構(gòu)，位于垂直諧振腔諧振時(shí)駐波的中心腹點(diǎn)處，以提供有效的光學(xué)放大。DBR由光學(xué)厚度為激射波長(zhǎng)的四分之一的兩種高低折射率不同的材料交替生長(zhǎng)而成。通過(guò)調(diào)節(jié)兩種材料的折射率差異及其層數(shù)和對(duì)數(shù)可使其反射率達(dá)到99%以上，同時(shí)還可通過(guò)優(yōu)化DBR的材料、對(duì)數(shù)和層數(shù)來(lái)降低內(nèi)部熱損耗和閾值電流密度，最終提高器件性能。氧化限制層由高鋁組分GaAlAs組成，如Ga0.02Al0.98As材料，該層經(jīng)濕法氧化后變成具有低折射率、高絕緣的Al2O3層，從而實(shí)現(xiàn)橫向電流和光場(chǎng)的限制作用。通過(guò)在頂部和底部制作金屬接觸層，向有源區(qū)注入電流，并在上下表面制成一個(gè)圓形出光口，最終輸出圓形的激光光斑。為獲得高傳輸速率的VCSEL器件，近年來(lái)研究人員主要從優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和提高工藝精度兩方面來(lái)提高其高速調(diào)制特性。在優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)方面，研究者多采用應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)、雙氧化限制層結(jié)構(gòu)、有源區(qū)采用λ/2短腔長(zhǎng)結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)VCSEL有源區(qū)中光子的橫向與縱向限制，使載流子及光子利用效率進(jìn)一步提高，最終提高傳輸性能。在提高器件工藝精度方面，通常采用優(yōu)化氧化孔徑、干濕法刻蝕技術(shù)和苯并環(huán)丁烯(BCB)平坦化技術(shù)來(lái)提高其高速調(diào)制特性。

圖1 一種典型的GaAs垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)的結(jié)構(gòu)示意圖[8]Fig.1 Structure diagram of a typical GaAs based vertical cavity surface emitting laser (VCSEL)[8]

3 高速VCSEL的理論設(shè)計(jì)

850/980 nm VCSEL是一種通過(guò)改變注入電流來(lái)對(duì)其光強(qiáng)進(jìn)行直接調(diào)制的光電子器件。當(dāng)外加恒定電流時(shí)，VCSEL會(huì)伴隨著內(nèi)部弛豫振蕩、電學(xué)寄生參數(shù)及其自熱效應(yīng)的產(chǎn)生，而這3個(gè)特性的限制都會(huì)對(duì)VCSEL的高速調(diào)制性能產(chǎn)生重要影響。近年來(lái)，研究人員主要從優(yōu)化這些限制因素的角度出發(fā)，來(lái)提高其高速傳輸特性。

3.1 馳豫振蕩頻率對(duì)VCSEL高速性能的影響

弛豫振蕩頻率是表征VCSEL高速特性的一個(gè)重要參數(shù)，其大小是限制高速調(diào)制帶寬的因素之一，在不考慮阻尼和其他因素的情況下，調(diào)制帶寬隨著弛豫振蕩頻率的增加而線性增加。弛豫振蕩頻率fr是VCSEL中載流子和光子之間的固有振蕩頻率，可以表示如下：

(1)

式中，vg為群速度，a為微分增益，Np為光子密度，τp為光子壽命，Γ為限制因子，ηi為載流子注入有源區(qū)的效率，q為電荷量，Vp為有源區(qū)體積，I為偏置電流，Ith為閾值電流。由式(1)可知，量子阱微分增益的提高可以增大弛豫振蕩頻率。然而弛豫振蕩頻率也受到溫度和驅(qū)動(dòng)電流的影響，當(dāng)VCSEL工作時(shí)，隨著驅(qū)動(dòng)電流的增大，弛豫振蕩頻率先增大到fr,max，然后逐漸減小。這主要是因?yàn)楫?dāng)溫度升高時(shí)，量子阱中的載流子會(huì)獲得更高的能量，而獲得高能量的載流子會(huì)越過(guò)勢(shì)壘層發(fā)生泄漏，導(dǎo)致微分增益降低，最終使得弛豫振蕩頻率降低[9-14]。馳豫振蕩頻率是影響氧化限制VCSEL -3 dB帶寬的決定因素，馳豫振蕩頻率越大，氧化限制VCSEL的-3 dB帶寬越大。因此，可通過(guò)提高微分增益來(lái)獲得更大的馳豫振蕩頻率，從而提高VCSEL的高速性能。

理論表明，由于InGaAs/AlGaAs量子阱相對(duì)于傳統(tǒng)的GaAs/AlGaAs量子阱結(jié)構(gòu)具有較大的微分增益，同時(shí)InGaAs/AlGaAs結(jié)構(gòu)的VCSEL能夠在大驅(qū)動(dòng)電流下工作，從而獲得更大的弛豫振蕩頻率，最終提高調(diào)制帶寬。2009年，瑞典Chalmers University of Technology的Westbergh等采用InGaAs/AlGaAs量子阱取代傳統(tǒng)的GaAs/AlGaAs量子阱，從而使有效增益和微分增益明顯提高。當(dāng)使用InGaAs/AlGaAs作為有源區(qū)時(shí)，VCSEL的-3 dB帶寬在25 ℃時(shí)達(dá)到20 GHz，在85 ℃時(shí)達(dá)到15.2 GHz，調(diào)制帶寬明顯提高[15]。

3.2 寄生參數(shù)對(duì)VCSEL高速性能的影響

當(dāng)VCSEL進(jìn)行高速光電調(diào)制時(shí)，需向有源區(qū)注入高速調(diào)制電流，而電學(xué)寄生參數(shù)(包含寄生電阻和寄生電容)會(huì)阻止有源區(qū)高速調(diào)制電流的注入，從而影響VCSEL的高速調(diào)制特性。因此，電學(xué)寄生參數(shù)是限制高速調(diào)制特性的主要因素之一，可通過(guò)傳輸函數(shù)Hp(f)表示：

(2)

式中，B是比例常數(shù)，f為調(diào)制頻率，fp是寄生截止頻率。寄生電阻是由DBRs的串聯(lián)電阻、結(jié)電阻和氧化物孔徑引起的電阻共同決定的，寄生電容主要來(lái)自有源區(qū)處結(jié)電容、氧化限制層處電容和電極間電容。當(dāng)VCSEL調(diào)制頻率高于截止頻率時(shí)，寄生參數(shù)會(huì)被一階低通濾波器阻止有源區(qū)注入高速調(diào)制電流，導(dǎo)致調(diào)制帶寬降低。因此，寄生電容與寄生電阻的減小是一種提高VCSEL高速調(diào)制特性的有效方法。一般而言，為了降低寄生電阻，通常采用DBRs調(diào)制摻雜剖面，將吸收損耗降至最低。此外，由于寄生電容與氧化限制層的厚度成反比，為了減小寄生電容，有研究者提出采用多層氧化限制層來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單層氧化限制層[16, 17]。圖2顯示了單層和雙層氧化限制層VCSEL的模擬頻率響應(yīng)，結(jié)果表明，在采用雙約束氧化層時(shí)，VCSEL的寄生電容降低，器件的-3 dB帶寬從17.1提高到21.1 GHz[7]。

圖2 模擬單層(a)和雙層氧化限制層(b)的850 nm VCSEL的頻率響應(yīng)圖[7]Fig.2 Simulated frequency responses of the 850 nm VCSEL with single layer (a) and double-confined oxide layers (b)[7]

此外，苯并環(huán)丁烯由于其低介電常數(shù)、高熱導(dǎo)率、低介電損耗等特性，近年來(lái)常被用于代替高介電常數(shù)的聚酰亞胺來(lái)減小電極間的寄生電容，已逐漸成為一種應(yīng)用于光通訊領(lǐng)域的新的高性能電子材料。2013年，Shi等將苯并環(huán)丁烯和Zn擴(kuò)散技術(shù)相結(jié)合，有效地降低了寄生電容，將單模VCSEL的-3 dB帶寬提高12 GHz[18]。2016年，Liu等采用多層氧化限制層設(shè)計(jì)來(lái)增強(qiáng)VCSEL的頻率響應(yīng)、降低器件電容，從而進(jìn)一步降低寄生參數(shù)RC。在不需要經(jīng)過(guò)后期加工對(duì)光子壽命進(jìn)行失諧(即蓋層厚度降低了p-DBR的反射率，從而降低光子壽命)的情況下，即將-3 dB的調(diào)制帶寬提高到28.2 GHz[19]。同年，Chalmers University of Technology的Haglund等通過(guò)將多層氧化限制層和BCB平坦化技術(shù)結(jié)合來(lái)降低電容，同時(shí)采用λ/2腔來(lái)提高縱向限制因子，該結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，該優(yōu)化結(jié)構(gòu)減少了載流子的傳輸時(shí)間，最終3.5 μm氧化孔徑的850 nm VCSEL在4.1 mA低偏置電流下實(shí)現(xiàn)了30 GHz高調(diào)制響應(yīng)帶寬[20]。

圖3 VCSEL腔內(nèi)的折射率分布和模擬光場(chǎng)強(qiáng)度[20]Fig.3 Refractive index distribution and simulated light field intensity in the VCSEL cavity[20]

綜上可知，通過(guò)采用雙氧化限制層、BCB平坦化技術(shù)、Zn擴(kuò)散技術(shù)等方法都可有效降低VCSEL寄生參數(shù)、提高寄生截止頻率，是提高VCSEL高速調(diào)制性能的有效方法。

3.3 自熱效應(yīng)對(duì)VCSEL高速性能的影響

激光器在持續(xù)工作過(guò)程中，會(huì)不可避免地產(chǎn)生大量的熱量。由于VCSEL自身的異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致串聯(lián)電阻較高，由注入電流引發(fā)的自熱效應(yīng)對(duì)調(diào)制速率的影響不可忽視，因此自熱效應(yīng)也是限制VCSEL帶寬的因素之一。通常在忽略寄生參數(shù)RC與阻尼對(duì)VCSEL調(diào)制帶寬影響的情況下，熱效應(yīng)誘導(dǎo)的最大調(diào)制帶寬可表示為[21]：

(3)

式中，f-3 dB,max是-3 dB下的最大調(diào)制帶寬，fr,max是由熱因素決定的最大弛豫振蕩頻率。為了減小VCSEL的自熱效應(yīng)，需要減小VCSEL微分電阻以降低器件產(chǎn)熱，并采用高熱導(dǎo)率材料來(lái)改善器件的熱分布。2009年，Westbergh等使用InGaAs代替GaAs材料來(lái)減少微分電阻、降低器件產(chǎn)熱，從而減少了VCSEL的自熱效應(yīng)。結(jié)果表明，在25 ℃室溫下采用GaAs QWs的fr,max為16.5 GHz，而InGaAs QWs的fr,max達(dá)到20 GHz，VCSEL最大調(diào)制帶寬明顯提高[15]。

4 VCSEL高速傳輸性能的研究進(jìn)展

VCSEL因其自身具有低閾值電流、可高頻調(diào)制、單縱模輸出、光束質(zhì)量好、易于二維集成等優(yōu)點(diǎn)，在半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域中占有非常重要的地位。而850和980 nm波段的器件始終代表著VCSEL半導(dǎo)體激光器研究的最高水平。近年來(lái)，為推動(dòng)VCSEL在數(shù)據(jù)通信中的應(yīng)用，各國(guó)的研究者對(duì)VCSEL進(jìn)行了大量深入的研究，主要包括瑞典Chalmers University of Technology、美國(guó)UCSB、德國(guó)Technische Universit?t Berlin以及中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、北京工業(yè)大學(xué)等，通過(guò)研究者們廣泛深入的研究，VCSEL的器件性能、實(shí)用性及產(chǎn)業(yè)化都得到了顯著提高，在高速傳輸和高速調(diào)制特性方面有了巨大的突破。

4.1 850 nm波段VCSEL的研究進(jìn)展

850 nm VCSEL的外延工藝成熟、成本較低，已成為短距離光互聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)光源。850 nm VCSEL通常采用無(wú)應(yīng)變的多量子阱作為有源區(qū)，而近年來(lái)850 nm VCSEL的有源區(qū)多采用具有高增益的應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，使其在高速調(diào)制方面的性能更加優(yōu)異，受到世界各個(gè)研究單位深入的研究。

1977年，垂直腔面發(fā)射激光器的概念由日本東京工業(yè)大學(xué)的伊賀教授首次提出，隨后該團(tuán)隊(duì)于1979年在低溫-177 ℃下實(shí)現(xiàn)了脈沖激射。自此,國(guó)內(nèi)外對(duì)VCSEL開始了深入的研究[8]。

為了提高VCSEL的高速特性，2008年Westbergh等報(bào)道采用無(wú)應(yīng)變GaAs QWs結(jié)構(gòu)和6 μm大小的氧化孔徑，在25 ℃下達(dá)到30 Gbps的最高數(shù)據(jù)傳輸速率[15]。與非應(yīng)變的GaAs QWs相比，由于InGaAs QWs具有更高的微分增益，因此逐漸被用作當(dāng)代高速850 nm VCSEL的有源區(qū)的QWs[22, 23]。2009年瑞典Chalmers University of Technology研究人員利用具有應(yīng)變的InGaAs QWs和雙氧化限制層結(jié)構(gòu)，在25 ℃下實(shí)現(xiàn)了32 Gbps的無(wú)誤碼數(shù)據(jù)傳輸[24]。應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)與氧化限制技術(shù)的引入，使得850 nm VCSEL的研究發(fā)生了質(zhì)的飛越。

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)提出了更高的要求。近年來(lái)，應(yīng)用于光互聯(lián)的850 nm VCSEL逐漸向高調(diào)制速率方向發(fā)展，表1列舉了近年來(lái)850 nm VCSEL的研究進(jìn)展。2010年，中國(guó)臺(tái)灣National Central University研究團(tuán)隊(duì)研究了不同深度(1.2和0.6 μm)的Zn擴(kuò)散對(duì)橫向模式的限制，圖4為兩種不同Zn擴(kuò)散深度的VCSEL器件橫截面與頂部示意圖。研究發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)散深度的減小明顯減弱了空間燒孔效應(yīng)，提高了光子密度。當(dāng)擴(kuò)散深度為0.6 μm、氧化孔徑為6 μm時(shí)，在9 mA注入電流下實(shí)現(xiàn)了大信號(hào)調(diào)制速率32 Gb/s[25]。同年，Westbergh等研制的直接調(diào)制的850 nm氧化限制型VCSEL在背對(duì)背(back-to-back)模式下，實(shí)現(xiàn)了40 Gb/s的無(wú)誤碼傳輸[26]。

圖4 兩種不同Zn擴(kuò)散深度器件橫截面(a)和頂面(b)示意圖[25]Fig.4 Schematic of the cross-sectional views (a) and top-view (b) of the two devices with different Zn diffusion depth[25]

表1 2010～2019年高速850 nm VCSEL的發(fā)展Table 1 Development of high speed 850 nm VCSEL from the year of 2010 to 2019

為提高850 nm VCSEL的高速調(diào)制特性，研究人員通過(guò)優(yōu)化外延結(jié)構(gòu)及工藝，使得高速調(diào)制特性進(jìn)一步提升。2012年，Westbergh等通過(guò)在n-DBR中采用漸變結(jié)構(gòu)以及改善摻雜特性，從而獲得了較小的電阻和光吸收，有效提高了調(diào)制帶寬，最終氧化限制型850 nm VCSEL實(shí)現(xiàn)了28 GHz的高調(diào)制帶寬和44 Gb/s的高數(shù)據(jù)傳輸速率[27]。同年，IBM和Finisar聯(lián)合報(bào)道了基于直接調(diào)制850 nm VCSEL的光鏈路，其傳輸速率達(dá)到了55 Gb/s[28]。2013年，Westbergh等通過(guò)優(yōu)化刻蝕深度，使得光子壽命稍大于小信號(hào)調(diào)制帶寬時(shí)的壽命，實(shí)現(xiàn)了調(diào)制速率的大幅度提升。最終研制的850 nm氧化限制VCSEL在back-to-back模式下的室溫調(diào)制速率達(dá)到了57 Gb/s，實(shí)現(xiàn)了無(wú)誤碼傳輸，創(chuàng)下了當(dāng)時(shí)單管850 nm VCSEL的歷史新高，此研究使得短距離數(shù)據(jù)光互聯(lián)在高速傳輸方面邁出了重要的一步[29]。另外，2014年Tan等在850 nm VCSEL中實(shí)現(xiàn)了40 Gb/s無(wú)誤碼高傳輸速率[30]。2016年，University of Illinois Urbana-Champaign研究人員報(bào)道了一種新型高速850 nm氧化限制VCSEL，實(shí)現(xiàn)了50 Gbps的無(wú)誤碼數(shù)據(jù)傳輸和28.2 GHz的高調(diào)制帶寬[31]。同年，Shi等通過(guò)采用Zn擴(kuò)散技術(shù)和表面氧化浮雕技術(shù)，使850 nm VCSEL在1 km OM4多模光纖中實(shí)現(xiàn)了24～29 GHz寬范圍的調(diào)制帶寬和54 Gb/s的無(wú)誤碼傳輸速率[32]。

隨著擴(kuò)散技術(shù)的成熟，2017年Larsson等對(duì)850 nm VCSEL的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在上DBR中采用先進(jìn)的界面分級(jí)和調(diào)制摻雜，實(shí)現(xiàn)了47 Gbit/s的高調(diào)制速率850 nm VCSEL[33]。2018年中國(guó)臺(tái)灣National Taiwan University的Kao等在OM4多模光纖(MMF)中實(shí)現(xiàn)了單模850 nm VCSEL的64 Gbit/s高調(diào)制速率[34]。2019年Ledentsov等在有源區(qū)采用量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)相比于量子阱結(jié)構(gòu)具有較高的微分增益和極高的溫度穩(wěn)定性，在高溫150 ℃時(shí)仍達(dá)到了25 Gbit/s的高調(diào)制速率，該量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的引入為VCSEL的研制提供了一種新的思路[35]。

綜上，近年來(lái)研究人員圍繞VCSEL的高速調(diào)制物理機(jī)制及影響其調(diào)制性能的因素，采用新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、BCB平坦化技術(shù)以及控制氧化孔徑等方法，使VCSEL的高速調(diào)制性能逐漸提升，推動(dòng)了VCSEL在光通訊領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

4.2 980 nm波段VCSEL的研究進(jìn)展

980 nm VCSEL對(duì)于數(shù)據(jù)通信也發(fā)揮著重要的作用，尤其是對(duì)于波分復(fù)用和自由空間光通信[36]。與850 nm波長(zhǎng)范圍相比，980 nm VCSEL在OM3和OM4 MMF中具有更高的溫度穩(wěn)定性、更低的色散和更低的傳輸損耗，表2列舉了近年來(lái)980 nm VCSEL的研究進(jìn)展。980 nm波段VCSEL的有源區(qū)常采用InGaAs/(Al)GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)或InAs/GaAs量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)來(lái)獲得更大的微分增益和更低的透明載流子密度，有望實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換效率、更低的閾值電流、更高的調(diào)制帶寬和更高的可靠性。

表2 2007～2019年高速980 nm VCSEL的發(fā)展Table 2 Development of high speed 980 nm VCSEL from the year of 2007 to 2019

2007年，美國(guó)UCSB大學(xué)的Chang等在980 nm VCSEL中采用多層氧化限制層和錐形氧化孔來(lái)降低寄生電容和光損耗，并在上DBR中優(yōu)化了p摻雜剖面來(lái)降低損耗和電阻，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化使其實(shí)現(xiàn)了35 Gbps無(wú)誤碼高數(shù)據(jù)傳輸速率[37]。接著，該團(tuán)隊(duì)在不改變其靜態(tài)低損耗性能的前提下，繼續(xù)優(yōu)化錐形氧化孔，提供額外的模式約束，并采用BCB平坦化技術(shù)、減小電極尺寸等措施有效降低寄生電容。2009年，該團(tuán)隊(duì)研制的980 nm VCSEL在室溫下實(shí)現(xiàn)了35 Gbps的無(wú)誤碼數(shù)據(jù)傳輸速率和大于20 GHz的調(diào)制帶寬[38]。2011年，德國(guó)TU Berlin大學(xué)Hofmann等通過(guò)采用λ/2腔長(zhǎng)和調(diào)制摻雜的方法，使980 nm VCSEL在25 ℃下實(shí)現(xiàn)了高達(dá)44 Gbps的無(wú)差錯(cuò)傳輸速率[39]。

目前，德國(guó)TU Berlin大學(xué)在980 nm VCSEL的研究中一直處于世界領(lǐng)先地位，其研制的980 nm VCSEL的調(diào)制性能、功耗等指標(biāo)均達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。2014年，TU Berlin大學(xué)研制的980 nm VCSEL在25 ℃實(shí)現(xiàn)了42 Gbit/s無(wú)誤碼傳輸速率和-3 dB小信號(hào)下24.7 GHz的調(diào)制帶寬[40]。2016年，該團(tuán)隊(duì)又提出一個(gè)新的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，在上下DBR中加入調(diào)制摻雜電流擴(kuò)展層，使器件串聯(lián)電阻減小，有效提高了高速調(diào)制性能，使得該980 nm VCSEL在高溫穩(wěn)定性、高傳輸速率方面創(chuàng)下了新記錄，在25 ℃下傳輸速率達(dá)到了50 Gbit/s，-3 dB小信號(hào)調(diào)制帶寬為26.6 GHz，在85 ℃高溫下也達(dá)到了46 Gbit/s無(wú)誤碼數(shù)據(jù)傳輸[41]。2017年，TU Berlin大學(xué)Rosales等報(bào)道了一種簡(jiǎn)化的外延層設(shè)計(jì)，如圖5所示，該結(jié)構(gòu)具有較小的有源區(qū)，確保了光場(chǎng)模式和載流子的強(qiáng)約束，同時(shí)在λ/2光學(xué)腔中采用雙氧化限制層、1.5～2.5 μm的小氧化孔徑，增強(qiáng)了載流子與光子的橫向與縱向限制，提高了載流子與光子的利用效率，最終在室溫25 ℃下實(shí)現(xiàn)-3 dB小信號(hào)調(diào)制帶寬為30 GHz，在85 ℃高溫下實(shí)現(xiàn)25 GHz的高調(diào)制帶寬[42]。

圖5 980 nm VCSEL的截面SEM照片(a)，λ/2厚光腔周圍的雙氧化層沿外延生長(zhǎng)方向的一維模擬電場(chǎng)強(qiáng)度和真實(shí)折射率剖面圖(b)[42]Fig.5 Cross-sectional SEM image of a fabricated 980 nm VCSEL(a), one-dimensional simulated electric-field intensity and real refractive index profile in the vertical direction around the double oxide-layers surrounding the λ/2 thick optical cavity(b)[42]

為了獲得更高的傳輸速率，2018年，TU Berlin大學(xué)的Haghighi等通過(guò)優(yōu)化DBR摻雜模式和采用不同厚度的雙氧化限制層結(jié)構(gòu)，研制出在氧化孔徑為3 μm時(shí)980 nm VCSEL的調(diào)制帶寬達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的35 GHz[43]。2019年，Hamad等提出了一種新型的超高速單模和多模垂直腔面發(fā)射激光器小信號(hào)調(diào)制響應(yīng)的綜合模型，在氧化孔徑為7 μm時(shí)實(shí)現(xiàn)了大于30 GHz的調(diào)制帶寬[44]。

5 結(jié) 語(yǔ)

與邊發(fā)射激光器相比，垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)具有眾多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于光互聯(lián)、光存儲(chǔ)等眾多領(lǐng)域。近年來(lái)隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸速率與數(shù)據(jù)處理能力提出了更高的要求，使高速VCSEL逐漸成為高速光通訊與光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的主要光源之一。因此，深入研究高速VCSEL的物理機(jī)制及其高速性能的影響因素成為了國(guó)內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn)。各種新型外延結(jié)構(gòu)和工藝制備技術(shù)的不斷優(yōu)化，使VCSEL的高速傳輸取得了突破性進(jìn)展，對(duì)數(shù)據(jù)中心的大容量光互連和超級(jí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生巨大的影響。然而面對(duì)未來(lái)更高數(shù)據(jù)傳輸速率的需求，仍需進(jìn)一步優(yōu)化外延結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)VCSEL更高的調(diào)制性能。

近年來(lái)，VCSEL在消費(fèi)電子、5G通訊、無(wú)人機(jī)以及物聯(lián)網(wǎng)智能服務(wù)系統(tǒng)等方面也發(fā)揮著重要的作用。目前，VCSEL已成為我們?nèi)粘Ｉ钪懈鞣N傳感器應(yīng)用的基礎(chǔ)，受到學(xué)術(shù)界越來(lái)越多的關(guān)注，可預(yù)見VCSEL在未來(lái)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代具有更大的應(yīng)用前景與競(jìng)爭(zhēng)力。