單模直調VCSEL這些年的研究進展

背景介紹

你知道嗎？作為支撐騰訊、阿里巴巴、Google等大型數據中心的關鍵光電子器件之一的垂直腔面發射雷射器（vertical-cavity surface-emitting laser，VCSEL），在1979年就被首次展示了。

VCSEL的概念最早由日本東京工業大學Iga教授於1977年提出，是為了解決邊發射雷射器（edge-emitting laser，EEL）的研究中，人們遇到的製作、測試、以及模式和波長控制等問題。

VCSEL通常由上/下布拉格反射鏡（distributed Bragg reflector，DBR）、有源區、氧化孔徑、上/下電極構成，光束沿著垂直於襯底方向出射（圖1）。與EEL採用天然解理面作為雷射腔鏡不同，VCSEL採用DBR作為雷射腔的腔鏡，可以在解理成晶片之前在片測試，以及二維陣列集成。VCSEL的橫向結構形狀通常為圓形，輸出的光束圓形對稱，能夠和光纖高效耦合。此外，VCSEL腔長為一個波長量級，可以實現高調製帶寬、單縱模以及低功耗工作。

圖1 VCSEL和EEL的結構示意圖

過去40多年，VCSEL在器件物理、材料生長、器件製作和表徵、器件集成和應用等方面取得了顯著進展。如今，VCSEL已經廣泛應用於數據通訊、三維傳感、雷射列印、雷射顯示、雷射照明、汽車電子、雷射加工、消費電子、原子傳感、雷射雷達等領域（圖2）。蘋果、華為等手機廠商將VCSEL導入智慧型手機等消費電子，引燃了VCSEL研究和投資的新一輪熱潮。

圖2 VCSEL的應用

VCSEL主要有三種電流限制結構：質子注入結構、隧道結結構和氧化限制結構。質子注入VCSEL在20世紀90年代已有較多的研究；隧道結主要用於長波長VCSEL(1.1 μm 以上)；氧化限制VCSEL具有功耗低、帶寬大、均勻性和可靠性高等優點。近年來，氧化限制GaAs基VCSEL（圖3）在模式控制和調製速度等方面取得了重要進展。

圖3 氧化限制VCSEL結構和折射率分布示意圖

單模直調VCSEL

01

單模VCSEL

採用縮小氧化孔徑的方法可以實現VCSEL單模工作。但是普通氧化限制VCSEL的氧化孔徑具有「雙重」限制作用：同時限制模場和載流子，帶來了不可忽略的負效應：（1）發光區域減小，輸出功率受到限制；（2）電流密度大、器件電阻大、可靠性低、製作容差小等。

採用「分離」限制可以解除氧化限制VCSEL中氧化孔徑的「雙重」限制作用：氧化孔徑只限制載流子，引入模式選擇（即空間濾波）結構選擇基橫模，這種「分離」限制模式可提高VCSEL的電學、光學、和熱學等性能。因此，可以適當增大氧化限制VCSEL的氧化孔徑，提高單模VCSEL的輸出功率，降低VCSEL的電阻，增大VCSEL的製作容差，提高VCSEL的可靠性，降低VCSEL的發散角等。

基於「分離」限制思路，人們已報導了多種單模氧化限制VCSEL結構（圖4），包括：表面刻蝕VCSEL結構（圖4（a））、質子注入/氧化混合孔徑VCSEL結構（圖4（b））、多氧化孔徑VCSEL結構（圖4（c））、金屬孔徑VCSEL結構（圖4（d））、Zn擴散孔徑VCSEL結構（圖4（e））、孔狀VCSEL結構（圖4（f））、亞波長光柵VCSEL結構（圖4（g））、耦合腔VCSEL結構（圖4（h））。

圖4 單模VCSEL結構示意圖。（a）表面刻蝕VCSEL結構；（b）質子注入/氧化複合孔徑VCSEL結構；（c）多氧化孔徑VCSEL結構；（d）金屬孔徑VCSEL結構；（e）Zn擴散孔徑VCSEL結構；（f）孔狀VCSEL結構；（g）亞波長光柵VCSEL結構；（h）耦合腔VCSEL結構

02

直調VCSEL

VCSEL是數據中心和超級計算機中短距離光互連的重要光源。數據吞吐量的逐年增加致使數據中心以及超級計算系統需要更高調製帶寬的VCSEL。為了提高VCSEL的調製帶寬，近年來人們主要採用以下途徑：

（1）採用高微分增益有源區；

（2）合理降低光子壽命；

（3）提高光限制因子；

（4）減小熱效應；

（5）降低電學寄生效應等。

目前，柏林工業大學（TUB）、瑞典查爾姆斯理工大學（CUT）、美國伊利諾伊大學厄巴納分校（UIUC）、中國臺灣國立中央大學（NCU）、IBM、Finisar、VIS、Furukawa、NEC等機構報導了850 nm、880 nm、910 nm、940 nm、980 nm、1060 nm、1100 nm等波段的高速VCSEL。其中，2019年CUT和喬治亞理工學院（GIT）採用均衡器和濾波器基於26 GHz的850 nm VCSEL晶片實現了超100 Gbps的傳輸速率（OOK調製格式）。2020年GIT和VIS基於28 GHz的850 nm VCSEL晶片實現了168 Gbps的傳輸速率（PAM4調製格式）。

溫度穩定性是VCSEL實際應用中的另一個要求。大量數據的產生、傳輸和處理消耗大量的能源，產生的熱量可使VCSEL的工作環境溫度達到85 ℃，會影響VCSEL的性能。因此希望在不改變工作電流以及無溫控條件下，高溫下的VCSEL性能和室溫下的性能保持一致。為了提高高速VCSEL的溫度穩定性，通常將VCSEL的腔模波長設置在室溫下量子阱增益峰的長波長一側。TUB報導了980 nm VCSEL在120 ℃下可以實現30 Gbps的無誤碼傳輸，和85 ℃下50 Gbps的無誤碼傳輸。

能效是VCSEL應用的又一個關鍵指標，影響著基於VCSEL光互連技術的生態成本和經濟成本，同時也影響VCSEL自身的性能。能效通常定義為傳輸每比特信息所消耗的能量（即：[電壓×電流-輸出光功率]/速率），單位為飛焦耳每比特（fJ/bit，或mW/Tbps）。根據半導體國際技術路線圖的預測，2022年片外光互連的能效要求小於100 fJ/bit，片上光互連的能效要求小於10 fJ/bit。TUB報導了3.5 mm氧化孔徑的850 nm VCSEL在25 ℃和25 Gbps速率下，能效達到56 fJ/bit。

除了調製速率、溫度穩定性以及能效外，人們希望VCSEL能在25 Gbps及以上的速率下傳輸2 km甚至更長。對於多模VCSEL來說，模式色散使VCSEL很難實現長距離無誤碼傳輸。降低VCSEL的譜寬，減小模式色散，是實現長距離無誤碼傳輸的有效途徑。減小氧化孔徑和引入模式選擇結構可以有效地降低VCSEL的譜寬。VIS採用氧化孔徑引起的洩漏效應減小850 nm VCSEL的譜寬，在鏈路接收端採用信號處理器（DSP），在2.2 km的OM4多模光纖中實現了54 Gbps的傳輸速率。

03

單模直調超結構VCSEL

傳統VCSEL的雷射腔通常由上/下DBR構成。為了得到性能優異的VCSEL，一方面需要精確控制DBR每層的厚度和組分；另一方面需要解決DBR的電學、光學、熱學性能等問題。

最近人們發現一維或者二維超結構（如HCG）具有寬帶高反射率性能，可以取代多層DBR構建新型VCSEL。這種HCG可以看作波導陣列，可以實現近100%的反射率，當HCG反射譜上兩個或者多個近100%的反射率點距離足夠近時，可實現寬帶高反射率光譜，用作構建垂直腔的反射鏡（圖5）。

圖5 （a）HCG的示意圖；（b）HCG寬帶高反射率性能的原理圖

HCG的反射光譜對光束的入射角度敏感，是一種空間濾波器，HCG-VCSEL容易實現單模激射（圖6）。對於一維HCG，它的反射光譜具有偏振選擇性。因此，一維HCG-VCSEL可以實現單偏振輸出。目前HCG-VCSEL在850 nm、940nm、980 nm、1060 nm、1310 nm、1550 nm等波段實現了單模工作和單偏振輸出。通過優化器件結構和降低寄生效應，美國加州大學伯克利分校實現了-3 dB帶寬為7.8 GHz的1550 nm的HCG-VCSEL，並實現了10 Gbps的無誤碼傳輸。

圖6 HCG-VCSEL示意圖

VCSEL是光子集成晶片的理想光源。HCG既可作為VCSEL的反射鏡，同時也可作為耦合器，實現將垂直振蕩的雷射耦合至水平方向輸出（圖7）。丹麥技術大學採用SOI基HCG構建1550 nm HCG-VCSEL實現了水平波導輸出，光泵浦下的-3 dB帶寬達到27 GHz。因SiN材料在600到1100 nm波段損耗小，根特大學和CUT在異質集成的850 nm VCSEL雷射腔中引入SiN基HCG，實現了SiN波導中水平輸出雷射，單側輸出功率為73 μW，邊模抑制比為29 dB。

圖7 （a）1550 nm的Si基HCG-VCSEL的示意圖，其中SOI基HCG作為反射鏡；（b）Si基HCG-VCSEL的示意圖，其中SOI基HCG作為反射鏡，同時作為耦合器；（c）具有水平波導輸出功能的VCSEL示意圖，其中SiN基HCG作為耦合器

總結和展望

（1）隨著對器件物理的深入研究以及信號處理技術的發展，VCSEL在模式調控、調製速率、能效、高溫性能等方面取得了顯著進展。

人們報導了多種器件結構實現單模VCSEL，單模VCSEL可以在2.2 km距離下實現54 Gbps的數據傳輸。目前單通道VCSEL在OOK格式下的調製速率已經超過了100 Gbps，在25 ℃下能效接近50 fJ/bit，在115 ℃下可以實現30 Gbps的無誤碼傳輸。

（2）新材料、新結構和新技術的引入有望進一步提高VCSEL的速率、能效、溫度穩定性和模式性能等。

散熱是VCSEL面臨的一個重要問題，熱效應影響VCSEL的速率、能效、傳輸距離等性能以及其應用，需要從晶片結構以及封裝方式等方面優化。為了滿足未來片上光互連，VCSEL需和平面光子晶片有機集成，需要深入研究器件尺寸、能效、和速度之間的關係，實現高密度（Tbps/cm2及以上）、大容量（Tbps及以上）和低功耗（能效小於10 fJ/bit甚至1 fJ/bit）光子集成晶片。

（3）近年來VCSEL已廣泛用於3D傳感、雷射雷達、工業加工等領域，這些應用通常需要VCSEL陣列，對功率以及功率密度、轉化效率、光束形貌等性能要求較高。

VCSEL陣列通常工作在脈衝條件下，脈衝輸出功率可達百kW級，功率密度為kW/cm2級，電光轉化效率超過了50%。為了實現更高性能的VCSEL陣列，需要在器件物理、外延結構、器件結構、製造封裝、驅動電路等各層次研究和優化，解決損耗、熱效應、寄生效應等問題。

本專題全部論文：

http://www.opticsjournal.net/Columns/zt_zgjg202007/index.html