VCSEL概述
摘要：本論文通過對雷射及雷射器件發展背景的介紹，引入雷射器中應用
越來越廣泛的半導體雷射器。然後對半導體雷射器的發展背景及基礎原理作簡要介紹。因為本論文重點是垂直腔面發射雷射器的研究及應用，所以在第三部分主要是對垂直腔面發射雷射器的介紹。其中包括，垂直腔面發射雷射器的基礎原理介紹、特性分析、設計原則以及研究進展等。最後在前面與邊發射雷射器的充分比較的基礎上，得出垂直腔面發射雷射器的特性優勢和研究前景，並且詳細介紹了垂直腔面發射雷射器在光通信、光存儲、光計算和光互聯等信息技術發展方面的廣泛應用。
一、雷射器的發展
1916年愛因斯坦提出了一套全新的技術理論『受激輻射』。這一理論說明在組成物質的原子中，有不同數量的電子分布在不同的能級上，在高能級上的粒子受到某種光子的激發，從高能級躍遷到低能級上，這時將會輻射出與激發它的光相同性質的光，而且在某種狀態下，能出現一個弱光激發出一個強光的現象。這就叫做「受激輻射的光放大」，簡稱雷射。
1960年7月7日，梅曼研製成功世界上第一臺雷射器，梅曼的方案是，利用一個高強閃光燈管，來刺激在紅寶石色水晶裡的鉻原子，從而產生一條相當集中的纖細紅色光柱，當它射向某一點時，可使其達到比太陽表面還高的溫度。
到目前為止，雷射產業得到空前發展，製造出了各種各樣的雷射產品，其中包括固體雷射器、氣體雷射器、液體雷射器以及其他雷射器。涉及到醫學治療、工業切割、測量、探測、雷射武器、條形碼識別等多個領域，具有非常誘人的前景。
二、半導體雷射器發展及應用
半導體雷射器的發展是從上世紀60年代開始的。當時的半導體雷射器主要是同質結雷射器，外形類似於晶體二極體，故常被稱為二極體雷射器，但此種雷射器在實際應用中存在很多限制。第二階段是異質結構雷射器，首先是單異質結構雷射器，但它因無法實現室溫下連續工作而被淘汰，然後出現雙異質結構雷射器解決了這個問題。1978年出現了世界上第一個半導體量子阱雷射器，大幅度提升了半導體雷射器的各項性能。
如圖2.1所示，半導體雷射器有三種基本結構。第一種結構為基本的p-n結雷射器稱為同質結雷射器。這種結構在結的兩端使用相同的半導體材料，沿著垂直於<110>軸的方向劈成一對平行面，外加適當偏壓，雷射便能從這些平面發射出來。二極體的另外兩側則加以粗糙化處理，以消除雷射從這兩側射出的機會，此結構稱為法布裡-帕羅腔，其典型腔長度約300μm。這種法布裡-帕羅腔結構被廣泛應用於近代半導體雷射中。
第二種結構是雙異質結構雷射，類似於三明治，有一層很薄的半導體被另一種不同的半導體所包夾。
前兩種結構是大面積雷射，因為沿著結的整個區域皆可發射出雷射。第三種結構是長方形雙異質結構雷射。
半導體的特性主要包括閾值特性和效率、空間模式、線寬、動態特性以及可靠性等。
三、垂直腔面發射雷射器（VCSEL）的原理及應用
⑴發展歷史：1977年日本東京工學院的Iga教授首先提出了面發射
半導體雷射器的設想，並且在1978年應用物理學會的年會上發表了第一篇關於面發射雷射器的論文。隨著分子束外延(MBE)及金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)出現，1986年Iga教授的科研小組製備出了6mA的面發射雷射器，並且在1987年應用MOCVD技術在GaAs襯底上研製出了第一隻室溫(RT)連續激射(CW)的VCSEL。從20世紀90年代初期開始，VCSEL的研究得到了飛速發展，取得了很多成果。
和國外相比，國內對VCSEL的研究尚處於起步階段。上世紀90年代初，美國Bellcore公司的T.P.Lee博士回到祖國上海，攜帶的在光纖通信終端所使用的小巧玲瓏的VCSEL組件引起了國內很多研究者的興趣。目前國內中科院半導體所、長春光學精密機械與物理研究所、北京工業大學等單位都在進行VCSEL的研究工作，但主要集中在0.85μm和0.98μm波段。
⑵基本機構：顧名思義，邊發射雷射器是沿平行於襯底表面、垂直於解理面的方向出射，而面發射雷射器其出光方向垂直於襯底表面，如圖3.1和3.2所示：
在面發射雷射器中最常見的類型是垂直腔型面發射雷射器(VCSEL)，其由三部分組成:上分布布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector，即DBR)、諧振腔和下分布布拉格反射器。DBR 是由折射率不同的兩種薄膜構成的多層膜系，每層膜的光學厚度是四分之一波長，一組DBR一般由20-40對薄膜組成。諧振腔的厚度一般在幾個微米左右。與邊發射雷射器的增益長度相比，VCSEL有源層的增益長度極小(幾十納米)。為了能夠實現激射，DBR必須具有很高的反射率(一般大於99%)。根據DBR所使用的材料不同，VCSEL可分為刻蝕阱VCSEL、半導體膜光學膜VCSEL及全外延半導體膜VCSEL等。
⑶特點：由於VCSEL與邊發射雷射器有著不同的結構，這就決定了兩者之間有不同的特點和性能，下表中列出了兩種雷射器的基本參數。
從表中我們可以看出，VCSEL有源區的體積小、腔短，這就決定了它容易實現單縱模、低閾值(亞毫安級)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到99%。VCSEL具有較高的弛豫振蕩頻率，從而在高速數據傳輸以及光通信中，預計將有著廣泛的應用。VCSEL出光方向與襯底表面垂直，可以實現很好的橫向光場限制，進行整片測試，得到圓形光束，易與製作二維陣列，外延晶片可以在整個工藝完成前，節約了生產成本。
VCSEL的優點主要有:
l.出射光束為圓形，發散角小，很容易與光纖及其他光學元件耦合且效率高。
2.可以實現高速調製，能夠應用於長距離、高速率的光纖通信系統。
3.有源區體積小，容易實現單縱模、低閾值的工作。
4.電光轉換效率可大於50%，可期待得到較長的器件壽命。 5.容易實現二維陣列，應用於平行光學邏輯處理系統，實現高速、大容量數據處理，並可應用於高功率器件。
6.器件在封裝前就可以對晶片進行檢測，進行產品篩選，極大降低了產品的成本。
7.可以應用到層疊式光集成電路上，可採用微機械等技術。
⑷設計： 為了實現粒子數反轉和閾值條件，以使雷射器產生相干
輻射輸出，除了需要有直接帶隙半導體有源介質外，光子反饋諧振是實現上述條件的根本保證，也是半導體雷射器與半導體二極體的區別所在。實現這種反饋諧振的機構叫光學諧振腔。按結構，可以分為內腔和外腔。按光波遭受反射的位置，又可分為集中反饋和分布反饋。所謂集中反饋是光波在有確定的反射率和位置的諧振腔面上被反射。而分布反饋則是在光波傳播過程中連續的被反饋，如分布反饋半導體雷射器和分布布拉格反射雷射器就是這樣。還可以按反射面的對不同的波長的反射情況分為均勻反饋和選擇反饋。所謂選擇反饋是反射面對不同波長有不同的反射率。理想的雷射器反饋應該是後端面的反射率為1，而前端面的反射率根據增益區的長度、內量子效率等選擇一最佳反射率。這可以通過在解離面後端面上鍍以增反膜，在前端面上鍍適當透過率的光學膜實現。
VCSEL的雷射腔的方向垂直於半導體晶片的襯底，有源層的厚度為諧振腔長度。如此短的諧振腔除了使其易於實現動態單縱模工作外，還提供了VCSEL工作時的高品質因數。品質因數Q是用來衡量諧振腔儲存信號能量的能力，它被定義為:
式中v為光波的頻率，w為腔內存儲的光能量，dw/dt表示腔內每秒損耗的能量。
VCSEL的增益長度較傳統的邊發射型雷射器短很多，在這麼短的增益長度中，要獲得足夠高的增益，就必須依賴高質量的腔鏡，這就給外延生長增加了很大的難度。為了實現高質量、高Q值的腔鏡，VCSEL採用了分布布拉格反射鏡(OBR)結構。目前人們主要採用半導體反射鏡，利用高低折射率半導體材料多層相間生長，形成人0/4膜堆，實現99.5%以上的反射率，並可以單片形成VCSEL結構，同時允許電流通過反射鏡注入。但這種結構由於高低折射率材料間形成了異質結，使得反射鏡的串聯電阻增加，嚴重地影響VCSEL的性能，甚至造成VCSEL不能激射。為了降低反射鏡的串聯電阻，很多研究者用漸變DBR結構來實現低電阻，獲得了較低的串聯電阻，收到了良好的效果。為了獲得高質量的器件，在提高腔鏡反射率的同時，還必須設法提高有源區的增益，為此大多數研究者均採用了多量子阱結構提高有源區的增益。
圖3.3為VCSEL中DBR的反射率譜。圖中的高反帶區域中有一個凹陷位置，此位置是高反帶中的透射極大值，所對應的波長即是腔模波長，即此處的光場經過DBR的反射和腔的諧振，實現光場的輸出。由於在實際生長過程中，各外延層厚度與設計值存在偏差，從而導致腔模波長與設計的中心波長有一些偏離。在中心波長兩側存在對稱的峰值，峰值兩側反射率迅速下降，在峰值波長範圍內的光只能在腔內振蕩，不能形成輸出光。圖中明顯的「凹陷」圖樣，這是多層DBR微腔雷射器的固有特性。隨著DBR層數的增加，這個小區域將變得更窄，說明多層DBR具有嚴格的選模作用，因此多層DBR有利於微腔雷射器實現窄線寬的光束輸出和某一頻率範圍內真空場的增進。量子阱的限制作用減弱了載流子的自由運動，使電子的公有化程度變弱，相同數量載流子在量子阱填充的費米能級高於半導體體材料，同時量子阱的存在破壞了晶體的各向同性，這樣引起TE模自發發射躍遷增強；另一方面，由於DBR的反射率因波長不同而變化，其在一定頻率範圍內接近全反射，於是VCSEL中真空場存在各向異性，它能夠使窄頻率內電子和空穴複合向某一方向輻射的光子增多，因此在量子阱和DBR微腔的共同作用下，量子阱VCSEL總的自發發射譜強度約相當於自由空間下半導體材料的10倍。
VCSEL有源區的材料及其對應波長VCSEL的材料體系分為兩部分:一部分是有源區的材料體系，另外一部分是DBR的材料體系。在下圖3.4中列出了VCSEL對應不同波長的有源區材料體系。
GalnN/GaN體系的材料可以延伸到紫外光波段，從而可以應用到光碟及一些顯示設備上。
另有一些科研工作者考慮採用II-VI族的一些化合物來製備光碟中的綠光VCSEL，但是除了InP基CdZnSe及相應的GaN基材料體系，其他的材料體系的研究進展較慢。在VCSEL中，DBR反射鏡既可以採用光學薄膜,也可以採用半導體薄膜。兩種不同的光學膜可以具有很高的折射率差，幾對DBR可以得到很高的反射率，但是光學薄膜本身不導電，對電流注入均勻性有影響。GaAs/AIGaAS是目前為止應用最為廣泛、最為成熟的DBR材料體系。兩種材料具有高的折射率差(△n)，在20-30對之間就可以獲得很高的反射率。而在InP基的VCSEL中，InGaASP/InP、AlGalnAs/InP四元系材料熱導率低，折射率差小，為獲得高的反射率就需要很多對DBR(>30對)，給材料的生長帶來了困難。這使得長波長(1.3μm和1.55μm)VCSEL的發展遠沒有短波長(0.85μm和0.98μm)VCSEL迅速。
四、總結
從1960年人類首次製造出雷射器並成功發射雷射開始，人們認識到了雷射重要特性和雷射器的廣泛應用前景。從此，雷射器的研究受到世界各國科學家和科研愛好者的青睞。並且在短短的50年內研製出氣體雷射器、固體雷射器、液體雷射器、半導體雷射器等。由於近年來信息技術的高速發展，人們對信息傳輸速率和可靠性的要求越來越高，於是光纖通信應運而生。而光纖通信系統的存在離不開半導體雷射器的關鍵支撐，所以半導體雷射器得到了充分的研究和發展。
目前用於光纖通信和光信息處理的半導體雷射器中應用最有前景的便是本文介紹的重點—垂直腔面發射雷射器(VCSEL)。VCSEL自問世以來，成為許多應用領域特別誘人的光源，如在光通信，光計算，光互聯，雷射列印及光存儲等方面。VCSEL的主要優點是其低成本的製作與封裝，低驅動電流，低發散角的圓形光束及可實現一維(1D)、二維(2D)高密度集成。近幾年來，性能優異的氧化物限制型VCSEL不斷被發現，主要涉及其低閾值電流，高輸出功率，高電光轉換效率，低工作電壓，高調製帶寬和高產額。