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深度剖析基于光通信系統(tǒng)的VCSEL技術(shù)

傳感器技術(shù) ? 2018-02-09 15:06 ? 次閱讀
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傳統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)一般采用LED等發(fā)光器件。這種發(fā)光器件多采用邊緣發(fā)射,體積大,因此比較難以和半導(dǎo)體技術(shù)結(jié)合。20世紀(jì)90年代垂直腔表面發(fā)射激光VCSEL技術(shù)成熟后,解決了發(fā)光器件和半導(dǎo)體技術(shù)結(jié)合的問(wèn)題,因此迅速得到普及。

晶圓光學(xué)鏡片中間的兩面發(fā)射垂直腔面發(fā)射體激光器(VCSEL)

VCSEL技術(shù)

垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,簡(jiǎn)稱VCSEL,又譯垂直共振腔面射型雷射)是一種半導(dǎo)體,其激光垂直于頂面射出,與一般用切開(kāi)的獨(dú)立芯片制成,激光由邊緣射出的邊射型激光有所不同。

VCSEL是很有發(fā)展前景的新型光電器件,也是光通信中革命性的光發(fā)射器件。顧名思義,邊發(fā)射激光器是沿平行于襯底表面、垂直于解理面的方向出射,而面發(fā)射激光器其出光方向垂直于襯底表面,如下圖:

邊發(fā)射激光器(a)與面發(fā)射激光器(b)示意圖

它優(yōu)于邊發(fā)射激光器的表現(xiàn)在于:易于實(shí)現(xiàn)二維平面和光電集成;圓形光束易于實(shí)現(xiàn)與光纖的有效耦合;可以實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制,能夠應(yīng)用于長(zhǎng)距離、高速率的光纖通信系統(tǒng);有源區(qū)尺寸極小,可實(shí)現(xiàn)高封裝密度和低閾值電流;芯片生長(zhǎng)后無(wú)須解理,封裝后即可進(jìn)行在片實(shí)驗(yàn);在很寬的溫度和電流范圍內(nèi)都以單縱模工作;價(jià)格低。

VCSEL的優(yōu)異性能已引起廣泛關(guān)注,成為國(guó)際上研究的熱點(diǎn)。這十多年來(lái),VCSEL在結(jié)構(gòu)、材料、波長(zhǎng)和應(yīng)用領(lǐng)域都得到飛速發(fā)展,部分產(chǎn)品已進(jìn)入市場(chǎng)。

VCSEL基本結(jié)構(gòu)

VCSEL的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。它是在由高、低折射率介質(zhì)材料交替生長(zhǎng)成的分布布喇格反射器(DBR)之間連續(xù)生長(zhǎng)單個(gè)或多個(gè)量子阱有源區(qū)所構(gòu)成。典型的量子阱數(shù)目為3~5個(gè),它們被置于駐波場(chǎng)的最大處附近,以便獲得最大的受激輻射效率而進(jìn)入振蕩場(chǎng)。在底部還鍍有金屬層以加強(qiáng)下面DBR的光反饋?zhàn)饔?,激光束從頂部透明窗口輸出?/p>

深度剖析基于光通信系統(tǒng)的VCSEL技術(shù)

實(shí)際上,要完成低閾值電流工作,和一般的條型半導(dǎo)體激光器一樣,必須使用很強(qiáng)的電流收斂結(jié)構(gòu),同時(shí)進(jìn)行光約束和截流子約束。由上圖可見(jiàn),VCSEL的半導(dǎo)體多層模反射鏡DBR是由GaAs/AlAs構(gòu)成的,經(jīng)蝕刻使之成為air-post(臺(tái)面)結(jié)構(gòu)。在高溫水蒸汽中將AlAs層氧化,變?yōu)橛薪^緣性的AlxOy層,其折射率也大大降低,因而成為把光、載流子限制在垂直方向的結(jié)構(gòu)。對(duì)VCSEL的設(shè)計(jì)集中在高反射率、低損耗的DBR和有源區(qū)在腔內(nèi)的位置。

VCSEL激光器的特點(diǎn)

由于VCSEL與邊發(fā)射激光器有著不同的結(jié)構(gòu),這就決定了兩者之間有不同的特點(diǎn)和性能,下表中列出了兩種激光器的基本參數(shù)。

深度剖析基于光通信系統(tǒng)的VCSEL技術(shù)

從表中我們可以看出,VCSEL有源區(qū)的體積小、腔短,這就決定了它容易實(shí)現(xiàn)單縱模、低閾值(亞毫安級(jí))電流工作,但是為了得到足夠高的增益,其腔鏡的反射率必須達(dá)到99%。VCSEL具有較高的弛豫振蕩頻率,從而在高速數(shù)據(jù)傳輸以及光通信中,預(yù)計(jì)將有著廣泛的應(yīng)用。VCSEL出光方向與襯底表面垂直,可以實(shí)現(xiàn)很好的橫向光場(chǎng)限制,進(jìn)行整片測(cè)試,得到圓形光束,易與制作二維陣列,外延晶片可以在整個(gè)工藝完成前,節(jié)約了生產(chǎn)成本。

VCSEL的優(yōu)點(diǎn)主要有:

l.出射光束為圓形,發(fā)散角小,很容易與光纖及其他光學(xué)元件耦合且效率高。

2.可以實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制,能夠應(yīng)用于長(zhǎng)距離、高速率的光纖通信系統(tǒng)。

3.有源區(qū)體積小,容易實(shí)現(xiàn)單縱模、低閾值的工作。

4.電光轉(zhuǎn)換效率可大于50%,可期待得到較長(zhǎng)的器件壽命。 5.容易實(shí)現(xiàn)二維陣列,應(yīng)用于平行光學(xué)邏輯處理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)高速、大容量數(shù)據(jù)處理,并可應(yīng)用于高功率器件。

6.器件在封裝前就可以對(duì)芯片進(jìn)行檢測(cè),進(jìn)行產(chǎn)品篩選,極大降低了產(chǎn)品的成本。

7.可以應(yīng)用到層疊式光集成電路上,可采用微機(jī)械等技術(shù)。

VCSEL的發(fā)展史

VCSEL的歷史,也是在諸多學(xué)者機(jī)構(gòu)的努力下,其性能不斷優(yōu)化的歷史,在這幾十年的歷史中,IGA及其帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)起到了不可磨滅的作用,可以堪稱IGA教授為VCSEL之父。

隨著VCSEL的諸多優(yōu)點(diǎn),其應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。并且為了適合這些應(yīng)用,VCSEL也朝著多個(gè)方向在各自發(fā)展,如圖1所示,為其主要應(yīng)用:

不同波長(zhǎng)VCSEL應(yīng)用領(lǐng)域

由于目前VCSEL最主要應(yīng)用在光傳輸方面,基于1979年Soda等人的VCSEL為開(kāi)端,VCSEL的發(fā)展,主要經(jīng)歷了2個(gè)階段:

第一階段:從VCSEL誕生到20世紀(jì)末,蠻荒發(fā)展階段。

在這個(gè)階段,各個(gè)組織機(jī)構(gòu)都提出以及嘗試了各種不同結(jié)構(gòu)類型的VCSEL,最終氧化物限制型VCSEL由于其諸多優(yōu)點(diǎn)而勝出。

1994年,Huffaker等人率先采用在臺(tái)面結(jié)構(gòu)(Mesa)下本征氧化AlGaAs,生成掩埋高阻層Al氧化物的方式,來(lái)對(duì)電流進(jìn)行進(jìn)一步的限制。利用這種結(jié)構(gòu),閾值電流可以降低到225uA。而這種結(jié)構(gòu)就是目前普遍采用的氧化物限制型(Oxide-confined)結(jié)構(gòu)的原型;

首個(gè)氧化物限制型VCSEL

2013年,Iga對(duì)VCSEL的關(guān)鍵指標(biāo)如閾值電流、調(diào)制帶寬與有源區(qū)的關(guān)系給出了簡(jiǎn)單的關(guān)系公式:

VCSEL的閾值電流同其他半導(dǎo)體激光器一樣,與有源區(qū)體積有如下關(guān)系式:

由公式可以看出,為了降低閾值電流,就需要不斷減小有源區(qū)體積。比較當(dāng)前的VCSEL與條狀激光器的有源區(qū)體積,可以發(fā)現(xiàn),VCSEL的V=0.06um3, 條狀激光器依然在V=60um3, 這就是為什么條狀激光器的閾值電流典型值仍舊在幾十mA的級(jí)別,而VCSEL的閾值電流已經(jīng)達(dá)到了亞毫安級(jí)別。

第二階段:逐漸發(fā)展成熟階段及優(yōu)化階段。

由于氧化物限制型的VCSEL具有低閾值電流等很多優(yōu)點(diǎn),這種結(jié)構(gòu)的VCSEL被很快運(yùn)用到了光通信中。

由于高的工作電流可以帶來(lái)更好的調(diào)制特性,但同時(shí)也會(huì)相應(yīng)的增加功耗,進(jìn)而帶來(lái)溫度的上升,會(huì)對(duì)可靠性帶來(lái)影響。調(diào)制速率與功耗成了VCSEL在光傳輸領(lǐng)域中重要的挑戰(zhàn)。2007年,Y-C.Chang等人采取增加深氧化層層數(shù)到5層以及增加p型摻雜濃度來(lái)降低串聯(lián)阻抗的方式,在0.9mA電流下實(shí)現(xiàn)的15GHz調(diào)制帶寬,相應(yīng)的功耗只有1.2mW,帶寬/功耗比只有12.5GHz/mW,是當(dāng)時(shí)最先進(jìn)水平。VCSEL截面結(jié)構(gòu)如圖所示:

深氧化層氧化物限制型VCSEL

利用相同的VCSEL結(jié)構(gòu),同年,Y-C.Chang等人又實(shí)現(xiàn)了35Gbps的無(wú)誤碼傳輸。

2011年,Petter Westbergh等人研究了850nm氧化物限制型VCSEL光子壽命與諧振頻率及調(diào)制速率的關(guān)系,并指出在高諧振頻率以及低阻尼震蕩中取得一個(gè)折衷來(lái)提高速率:當(dāng)光子壽命接近3ps時(shí),可以使VCSEL的調(diào)制帶寬達(dá)到23GHz,同時(shí)可以得到40Gb/s的無(wú)誤碼傳輸。

近年來(lái),各個(gè)興趣小組對(duì)于高速率、低功耗的VCSEL研究依然興趣不減,圖10是截止到2015年,各機(jī)構(gòu)的研究成果??梢钥闯觯绻捎妙A(yù)加重的方式,目前VCSEL背靠背傳輸可以達(dá)到71Gbit/s。

短波長(zhǎng)VCSEL光互聯(lián)領(lǐng)域發(fā)展近況

VCSEL的主要應(yīng)用

1、用于高速光纖通信

1300nm和1550nm長(zhǎng)波長(zhǎng)化VCSEL在Gb/s速率光纖通信中有廣闊的市場(chǎng)前景,由于1300nm和1550nm波長(zhǎng)VCSEL除具有處于光纖低色散和低衰減窗口的優(yōu)點(diǎn)外,還具有在中長(zhǎng)距離高速傳輸方面的優(yōu)越性;

2、用于數(shù)字通信

VCSEL在短距離、大容量并行數(shù)據(jù)鏈路將有巨大應(yīng)用市場(chǎng)。低成本和高性能的VCSEL廣泛應(yīng)用于局域網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸。隨著局域網(wǎng)帶寬需求的提高,需有G比特以太網(wǎng)或高速局域網(wǎng)協(xié)議,VCSEL可作為低成本多模光發(fā)射機(jī);

3、用于光互連

1300nm波長(zhǎng)VCSEL是光并行處理、光識(shí)別系統(tǒng)及光互連系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件。VCSEL在光信息處理、光互連、光交換、光計(jì)算、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域中可充分發(fā)揮光子的并行操作能力和大規(guī)模集成面陣的優(yōu)勢(shì),具有廣闊的應(yīng)用前景;

4、用于光存儲(chǔ)

VCSEL可用作光存儲(chǔ)讀/寫(xiě)光源。VCSEL用作CD光盤(pán)的光源可以提高存儲(chǔ)密度,光盤(pán)讀出系統(tǒng)還可配以分立的外部光電探測(cè)器來(lái)監(jiān)測(cè)發(fā)自光盤(pán)的反射光。美國(guó)加利福尼亞大學(xué)已演示一種采用帶有內(nèi)腔量子阱吸收器的VCSEL的新型集成光盤(pán)讀出頭。由VCSEL發(fā)出的CW光束聚焦在光盤(pán)上,而經(jīng)擴(kuò)展的反射光束直接進(jìn)入VCSEL光腔。在反向偏置下,內(nèi)腔吸收器的功能是作為光電探測(cè)器,其產(chǎn)生的光生電流提供一種精確的發(fā)自光盤(pán)的光反饋?zhàn)兞俊?/p>

此外,VCSEL還應(yīng)用在新型照明器、顯示器、激光打印機(jī)等。

VCSEL的迅速發(fā)展和固有優(yōu)點(diǎn)已使其成為光電子應(yīng)用中的關(guān)鍵器件,有強(qiáng)大的生命力。近年來(lái),性能優(yōu)異的VCSEL不斷被研發(fā),主要涉及其低閾值電流,高輸出功率,高電光轉(zhuǎn)換效率,低工作電壓,高調(diào)制帶寬和高產(chǎn)額。相信隨著VCSEL的不斷發(fā)展,它將會(huì)獲得越來(lái)越多的潛在應(yīng)用。

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原文標(biāo)題:光通信系統(tǒng)的VCSEL技術(shù)

文章出處:【微信號(hào):WW_CGQJS,微信公眾號(hào):傳感器技術(shù)】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

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