深度剖析基于光通信系统的VCSEL技术

传统的光电转换技术一般采用LED等发光器件。这种发光器件多采用边缘发射，体积大，因此比较难以和半导体技术结合。20世纪90年代垂直腔表面发射激光VCSEL技术成熟后，解决了发光器件和半导体技术结合的问题，因此迅速得到普及。

晶圆光学镜片中间的两面发射垂直腔面发射体激光器（VCSEL）

VCSEL技术

垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL，又译垂直共振腔面射型雷射）是一种半导体，其激光垂直于顶面射出，与一般用切开的独立芯片制成，激光由边缘射出的边射型激光有所不同。

VCSEL是很有发展前景的新型光电器件，也是光通信中革命性的光发射器件。顾名思义，边发射激光器是沿平行于衬底表面、垂直于解理面的方向出射，而面发射激光器其出光方向垂直于衬底表面，如下图：

边发射激光器（a）与面发射激光器(b)示意图

它优于边发射激光器的表现在于：易于实现二维平面和光电集成；圆形光束易于实现与光纤的有效耦合；可以实现高速调制，能够应用于长距离、高速率的光纤通信系统；有源区尺寸极小，可实现高封装密度和低阈值电流；芯片生长后无须解理，封装后即可进行在片实验；在很宽的温度和电流范围内都以单纵模工作；价格低。

VCSEL的优异性能已引起广泛关注，成为国际上研究的热点。这十多年来，VCSEL在结构、材料、波长和应用领域都得到飞速发展，部分产品已进入市场。

VCSEL基本结构

VCSEL的结构示意图如下图所示。它是在由高、低折射率介质材料交替生长成的分布布喇格反射器（DBR）之间连续生长单个或多个量子阱有源区所构成。典型的量子阱数目为3~5个，它们被置于驻波场的最大处附近，以便获得最大的受激辐射效率而进入振荡场。在底部还镀有金属层以加强下面DBR的光反馈作用，激光束从顶部透明窗口输出。

实际上，要完成低阈值电流工作，和一般的条型半导体激光器一样，必须使用很强的电流收敛结构，同时进行光约束和截流子约束。由上图可见，VCSEL的半导体多层模反射镜DBR是由GaAs/AlAs构成的，经蚀刻使之成为air-post（台面）结构。在高温水蒸汽中将AlAs层氧化，变为有绝缘性的AlxOy层，其折射率也大大降低，因而成为把光、载流子限制在垂直方向的结构。对VCSEL的设计集中在高反射率、低损耗的DBR和有源区在腔内的位置。

VCSEL激光器的特点

由于VCSEL与边发射激光器有着不同的结构，这就决定了两者之间有不同的特点和性能，下表中列出了两种激光器的基本参数。

从表中我们可以看出，VCSEL有源区的体积小、腔短，这就决定了它容易实现单纵模、低阈值(亚毫安级)电流工作，但是为了得到足够高的增益，其腔镜的反射率必须达到99%。VCSEL具有较高的弛豫振荡频率，从而在高速数据传输以及光通信中，预计将有着广泛的应用。VCSEL出光方向与衬底表面垂直，可以实现很好的横向光场限制，进行整片测试，得到圆形光束，易与制作二维阵列，外延晶片可以在整个工艺完成前，节约了生产成本。

VCSEL的优点主要有:

l.出射光束为圆形，发散角小，很容易与光纤及其他光学元件耦合且效率高。

2.可以实现高速调制，能够应用于长距离、高速率的光纤通信系统。

3.有源区体积小，容易实现单纵模、低阈值的工作。

4.电光转换效率可大于50%，可期待得到较长的器件寿命。 5.容易实现二维阵列，应用于平行光学逻辑处理系统，实现高速、大容量数据处理，并可应用于高功率器件。

6.器件在封装前就可以对芯片进行检测，进行产品筛选，极大降低了产品的成本。

7.可以应用到层叠式光集成电路上，可采用微机械等技术。

VCSEL的发展史

VCSEL的历史，也是在诸多学者机构的努力下，其性能不断优化的历史，在这几十年的历史中，IGA及其带领的团队起到了不可磨灭的作用，可以堪称IGA教授为VCSEL之父。

随着VCSEL的诸多优点，其应用也越来越广泛。并且为了适合这些应用，VCSEL也朝着多个方向在各自发展，如图1所示，为其主要应用：

不同波长VCSEL应用领域

由于目前VCSEL最主要应用在光传输方面，基于1979年Soda等人的VCSEL为开端，VCSEL的发展，主要经历了2个阶段：

第一阶段：从VCSEL诞生到20世纪末，蛮荒发展阶段。

在这个阶段，各个组织机构都提出以及尝试了各种不同结构类型的VCSEL，最终氧化物限制型VCSEL由于其诸多优点而胜出。

1994年，Huffaker等人率先采用在台面结构（Mesa）下本征氧化AlGaAs，生成掩埋高阻层Al氧化物的方式，来对电流进行进一步的限制。利用这种结构，阈值电流可以降低到225uA。而这种结构就是目前普遍采用的氧化物限制型（Oxide-confined）结构的原型；

首个氧化物限制型VCSEL

2013年，Iga对VCSEL的关键指标如阈值电流、调制带宽与有源区的关系给出了简单的关系公式：

VCSEL的阈值电流同其他半导体激光器一样，与有源区体积有如下关系式：

由公式可以看出，为了降低阈值电流，就需要不断减小有源区体积。比较当前的VCSEL与条状激光器的有源区体积，可以发现，VCSEL的V=0.06um3， 条状激光器依然在V=60um3， 这就是为什么条状激光器的阈值电流典型值仍旧在几十mA的级别，而VCSEL的阈值电流已经达到了亚毫安级别。

第二阶段：逐渐发展成熟阶段及优化阶段。

由于氧化物限制型的VCSEL具有低阈值电流等很多优点，这种结构的VCSEL被很快运用到了光通信中。

由于高的工作电流可以带来更好的调制特性，但同时也会相应的增加功耗，进而带来温度的上升，会对可靠性带来影响。调制速率与功耗成了VCSEL在光传输领域中重要的挑战。2007年，Y-C.Chang等人采取增加深氧化层层数到5层以及增加p型掺杂浓度来降低串联阻抗的方式，在0.9mA电流下实现的15GHz调制带宽，相应的功耗只有1.2mW，带宽/功耗比只有12.5GHz/mW,是当时最先进水平。VCSEL截面结构如图所示：

深氧化层氧化物限制型VCSEL

利用相同的VCSEL结构，同年，Y-C.Chang等人又实现了35Gbps的无误码传输。

2011年，Petter Westbergh等人研究了850nm氧化物限制型VCSEL光子寿命与谐振频率及调制速率的关系，并指出在高谐振频率以及低阻尼震荡中取得一个折衷来提高速率：当光子寿命接近3ps时，可以使VCSEL的调制带宽达到23GHz，同时可以得到40Gb/s的无误码传输。

近年来，各个兴趣小组对于高速率、低功耗的VCSEL研究依然兴趣不减，图10是截止到2015年，各机构的研究成果。可以看出，如果采用预加重的方式，目前VCSEL背靠背传输可以达到71Gbit/s。

短波长VCSEL光互联领域发展近况

VCSEL的主要应用

1、用于高速光纤通信

1300nm和1550nm长波长化VCSEL在Gb/s速率光纤通信中有广阔的市场前景，由于1300nm和1550nm波长VCSEL除具有处于光纤低色散和低衰减窗口的优点外，还具有在中长距离高速传输方面的优越性；

2、用于数字通信

VCSEL在短距离、大容量并行数据链路将有巨大应用市场。低成本和高性能的VCSEL广泛应用于局域网中节点之间的数据传输。随着局域网带宽需求的提高，需有G比特以太网或高速局域网协议，VCSEL可作为低成本多模光发射机；

3、用于光互连

1300nm波长VCSEL是光并行处理、光识别系统及光互连系统中的关键器件。VCSEL在光信息处理、光互连、光交换、光计算、神经网络等领域中可充分发挥光子的并行操作能力和大规模集成面阵的优势，具有广阔的应用前景；

4、用于光存储

VCSEL可用作光存储读/写光源。VCSEL用作CD光盘的光源可以提高存储密度，光盘读出系统还可配以分立的外部光电探测器来监测发自光盘的反射光。美国加利福尼亚大学已演示一种采用带有内腔量子阱吸收器的VCSEL的新型集成光盘读出头。由VCSEL发出的CW光束聚焦在光盘上，而经扩展的反射光束直接进入VCSEL光腔。在反向偏置下，内腔吸收器的功能是作为光电探测器，其产生的光生电流提供一种精确的发自光盘的光反馈变量。

此外，VCSEL还应用在新型照明器、显示器、激光打印机等。

VCSEL的迅速发展和固有优点已使其成为光电子应用中的关键器件，有强大的生命力。近年来，性能优异的VCSEL不断被研发，主要涉及其低阈值电流，高输出功率，高电光转换效率，低工作电压，高调制带宽和高产额。相信随着VCSEL的不断发展，它将会获得越来越多的潜在应用。