發光學報(特約綜述)| 垂直腔面發射雷射器研究進展

2021-01-14 澎湃新聞

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垂直腔面發射雷射器（Vertical-cavity surface-emitting laser，VCSEL）是一種在與半導體外延片垂直方向上形成光學諧振腔、發出的雷射束與襯底表面垂直的半導體雷射器結構，具有尺寸小、功耗低、效率高、壽命長、圓形光束以及二維面陣集成等優勢。近年來，由於VCSEL的市場迅速發展，針對不同的應用需求，VCSEL的功率、速率、能效以及高溫穩定等性能都有了長足的進步，從而拓展了VCSEL的應用領域。

近日，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所王立軍院士、寧永強研究員團隊在《發光學報》（EI、核心期刊）發表了題為「垂直腔面發射雷射器研究進展」的綜述文章，共同第一作者是博士研究生張繼業和李雪。該綜述重點介紹了VCSEL的研究歷程，簡述了其在高功率、高速、高溫下工作等方面的研究進展，期望對從事該領域研究的學者和研究生有所幫助。

1. 引言

圖1 VCSEL的應用

半導體雷射器是信息化社會最具有代表性的關鍵光電子器件之一，已經在許多領域得到了廣泛應用。研究人員在邊發射雷射器的研製過程中遇到了陣列製備工藝複雜、器件測試困難以及輸出模式和波長難以控制等問題。因此，日本東京工業大學教授K. Iga提出的VCSEL得到了各方研究人員的重視。

自1990年以來，伴隨著VCSEL器件性能的不斷提高，VCSEL已經得到了市場的廣泛認可，其應用領域也呈爆炸式增長（圖1）。隨著雷射泵浦、醫療、軍事以及材料加工等應用領域的需求日益增長，高功率VCSEL 成為很重要的一個研究方向。同時，由於先進駕駛系統、雲計算、物聯網技術與5G通信技術等應用愈發成熟，信息的急劇增加產生了對數據帶寬大幅增長的需求，而高速VCSEL因其在光互連和光數據網絡中的應用而成為全球研究的熱點。而能應用在光互聯、3D傳感、車載雷達、原子鐘等領域，緣於VCSEL的關鍵特性：穩定的高溫性能和對溫度變化的不敏感。為滿足這些應用需求，高溫穩定工作、可靠性高的VCSEL近年來越來越受到關注。

2. VCSEL在高功率、高速及高溫下工作的研究進展

自1996年以來，VCSEL器件在功率性能方面的研究發展迅速。在國內，中科院長春光機所通過研究和創新，在國際上首次實現了1.95 W單管VCSEL連續輸出，隨後又將VCSEL陣列式脈衝輸出功率提高到210 W。經過國內外的不懈努力，VCSEL器件的輸出功率已經達到上千瓦，在紅外照明、泵浦光源、工業加熱、LiDAR以及3D傳感等應用領域的市場規模也迅速增長。然而，高功率VCSEL單管或陣列器件均為多橫模輸出，導致輸出光束質量很差。為了改進光束質量，國內外研究人員採用了環形電極、光柵、微透鏡、光子晶體以及外腔等技術。

針對高速VCSEL的研究，期望獲得高的調製帶寬，這就需要降低寄生電容、阻尼和熱效應等限制因素對調製帶寬的影響。國內外研究人員通過優化DBR中的導帶和價帶界面及摻雜分布、在信號焊盤下面使用低介電常數的厚聚絕緣材料作為支撐物、引入多個深氧化層以及質子注入等方式，850 nm波長的高速VCSEL實現了超過了50 Gbps的無誤碼傳輸、28.2 GHz的調製帶寬。針對980 nm和1 100 nm波長，高速VCSEL由於採用InGaAs/GaAs應變量子阱作為有源區，最終實現了35 GHz的調製帶寬。

原子鐘和光互聯所應用的光源需要VCSEL器件在高溫環境下工作，所以穩定的高溫性能是必不可少的關鍵因素。這需要從VCSEL晶片表面刻蝕微結構及增益失諧設計等方面進行優化。針對原子鐘的應用光源，中科院長春光機所通過一系列的創新實驗，在國內首次實現了795 nm/894 nm VCSEL高溫下高效率工作。而在光互聯應用方面，經過國外研究機構的優化後，VCSEL器件結構在高溫下仍能完成60 Gbps無誤碼數據傳輸。並且新結構、新材料和新技術的引入進一步提高了VCSEL的輸出性能，從而拓展了VCSEL的應用領域。

3. 展望

雖然VCSEL在高功率、高速、高溫穩定等性能方面已經有了一些突破性的進展，但是仍存在著一些重要的科學和技術問題亟待解決。

（1）高功率VCSEL的研究

高功率VCSEL的輸出功率在幾百毫瓦到幾千瓦之間，裕度達到了4個數量級，但是隨著輸出功率的增加，很難保持良好的光束質量。然而，針對LiDAR等汽車應用迎來的機遇，對功率和光束質量有著更高的要求。

（2）高速VCSEL的研究

近幾年的研究報導顯示，短波長高速VCSEL的調製帶寬接近了常規氧化物限制VCSEL的極限，即35 GHz，並且其調製速率的提升依賴於調製方式和電子驅動設備的技術進步。而今後高速VCSEL的研究還需要向長波長方向延伸，即1 310 nm和1 550 nm，其光纖損耗遠小於短波波段的損耗，可以將通信距離延伸至20 km以上。但是在該波段，VCSEL晶片外延生長有較大難度，因此長波波段高速VCSEL還沒有廣泛應用於光互聯。

（3）高溫工作VCSEL的研究

原子鐘和光互聯所應用的光源是高溫工作VCSEL器件最具有代表性的應用方向。然而，VCSEL的性能在高溫下會嚴重退化，導致閾值電流增大，斜率效率降低，並且諧振載流子光子相互作用的本徵阻尼也會影響VCSEL的調製速度。高溫工作下可靠性高的VCSEL器件將是未來研究的重點。

總之，從數據通訊到智能傳感，VCSEL的應用市場日益多樣化，其正在成為支持當前和未來信息社會不可或缺的關鍵組件。

作者簡介（通訊作者）

寧永強，博士，研究員，博士研究生導師。1999年於中科院長春物理所獲得博士學位，2009年度被推薦為新世紀百千萬人才工程國家級人選，2015年獲科技部創新人才推進計劃「大功率半導體雷射器重點領域創新團隊」，擔任團隊負責人。2015年獲得吉林省技術發明一等獎。近年來在大功率垂直腔面發射雷射研究中，率領團隊於2014年研製出210W高峰值功率VCSEL列陣器件(Japanese J. Applied Physics, 2014年7月)，美國Semiconductor Today（2014年7月）以「垂直腔面發射雷射集成面陣輸出功率210 W」為題專文進行了評述。在晶片原子鐘專用高溫垂直腔面發射雷射方面，組織團隊突破InAlGaAs等新材料結構設計與製備等問題，在國內首次實現了795 nm/894 nmVCSEL在高溫（>70 ℃）下高效率工作。

王立軍，研究員，中國科學院院士，博士研究生導師，１９８２ 年於吉林大學獲得碩士學位，主要從事雷射技術等領域的基礎及應用研究。

文章信息

張繼業, 李雪, 張建偉, 等. 垂直腔面發射雷射器研究進展[J]. 發光學報, 2020, 41(12):1443-1459.

文章地址

https://dx.doi.org/10.37188/CJL.20200339

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