課程設(shè)計(jì)論文--垂直腔半導(dǎo)體激光器

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)論文</b></p><p>　　題目：垂直腔半導(dǎo)體激光器</p><p>　　院系：光電工程學(xué)院光電信息工程</p><p>　　姓名： 鄭也弟</p><p>　　班級(jí)： 0802123班</p><p>　　學(xué)號(hào)： 27號(hào)&

2、lt;/p><p>　　指導(dǎo)老師： 孫艷軍</p><p>　　摘要：近年來(lái)由于高速光網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，使人們對(duì)一種新型的半導(dǎo)體激光器--垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)給予了更多的關(guān)注，已成為研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。本文介紹了垂直腔面發(fā)射激光器的發(fā)展歷程、基本結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)以及其應(yīng)用，并詳細(xì)敘述了各波段VCSEL所用的材料、技術(shù)、市場(chǎng)應(yīng)用。最后介紹了垂直腔面發(fā)射激光器國(guó)內(nèi)外研究狀況和未來(lái)前景。</

3、p><p>　　關(guān)鍵詞：垂直腔面發(fā)射激光器，VCSEL，基本結(jié)構(gòu)，市場(chǎng)應(yīng)用，研究狀況和未來(lái)前景</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要2</b></p><p>　　1. 垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器發(fā)展歷程4</p><p>　　2. 垂直腔

4、面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)4</p><p>　　3. 垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用5</p><p>　　3.1作為千兆比特光纖通信的光源5</p><p>　　3.2用于光信號(hào)存貯的光源5</p><p>　　3.3 VOSEL在光互連中的應(yīng)用6</p><p>　　4. 各波段VCSEL及應(yīng)用市場(chǎng)

5、…………………………………6</p><p>　　4.1 340nm波段VCSEL…………………………………………6</p><p>　　4.2 640nm-670nm波段VCSEL………………………………….7</p><p>　　4.3 750nm-780nm波段VCSEL…………………………………7</p><p>　　4.4 850

6、nm波段VCSEL…………………………………………7</p><p>　　4.5 980nm波段VCSEL…………………………………………8</p><p>　　4.6 1300nm波段VCSEL…………………………………………8</p><p>　　4.7 1500nm波段VCSEL…………………………………………8</p><p>　　5

7、.垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器國(guó)內(nèi)外研究狀況………………9</p><p>　　6. 垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的未來(lái)前景…………………9</p><p>　　7.結(jié)語(yǔ)…………………………………………………………9</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)10</b></p><p>　　1.垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器發(fā)展歷程&l

8、t;/p><p>　　自1977年開(kāi)始，科學(xué)家在半導(dǎo)體激光器(LD)的晶體生長(zhǎng)和器件的研制過(guò)程中，開(kāi)始不滿足于以前LD的制作工藝。其原因在于：以前的大多數(shù)LD是通過(guò)晶體的壁面切割方式做成的，只有DFB(采用衍射光柵做成，但光輸出端仍然需高精度壁面切割)和蝕刻LD(采用蝕刻技術(shù)作F—P腔)不是通過(guò)此方式制作而成。于是科學(xué)家們尋找其它的制作方法。1977年3月，日本的伊賀健一提出了面發(fā)射LD的構(gòu)想【1】，并著手研究。19

9、78年3月發(fā)表了最初的研究成果。</p><p>　　1979年使用液相外延(LPE)技術(shù)研制出了首個(gè)InGaAsP／InP LD，它是將芯片的兩個(gè)表面鍍金屬膜構(gòu)成F-P腔，出射光垂直于生長(zhǎng)平面。77K時(shí)在液氮冷卻的條件下脈沖驅(qū)動(dòng)，結(jié)果閾值電流高達(dá)800mA，器件很快就遭到損毀，但看到了瞬間的閃光。通過(guò)進(jìn)一步的研究，終于觀測(cè)到頻率，看到的頻率比普通的LED更精細(xì)。日本末松安晴教授將其取名為面發(fā)光LD，在美國(guó)則將其

10、稱為垂直腔面發(fā)射激光器</p><p>　　(VCSEL)。其后VCSEL得到快速發(fā)展。1980年短諧振腔結(jié)構(gòu)的VCSEL在低溫下實(shí)現(xiàn)了低閾值電流工作。1984年開(kāi)始了GaAs基VCSEL的研究。1986年短波長(zhǎng)掩埋結(jié)構(gòu)的VCSEL獲得的閾值電流為6mA，閾值電流密度為20kA／cm~，初次實(shí)現(xiàn)諧振腔長(zhǎng)7gm、直徑6gm的微米級(jí)VCSEL。同時(shí)伊賀鍵一還嘗試?yán)靡合嗌L(zhǎng)法將兩種不同的半導(dǎo)體以1／4波長(zhǎng)的厚度相互交

11、迭的技術(shù)用于VCSEL。1986年伊賀鍵一利用金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積(MoCVD)制作GaAs／A1As多層膜LD，并在有源層中嘗試采用量子阱結(jié)構(gòu)。1988年日本的小山二三夫君與伊賀鍵一等人采用MOCVD初次實(shí)現(xiàn)GaAs VCSEL的室溫連續(xù)波振蕩工作，并詳細(xì)地分析了VCSEL的工作特性，獲得的結(jié)果為閾值電流20~30mA，外微分量子效率約10％～20％，光輸出功率l～2mW。同時(shí)獲得了穩(wěn)定的單一波長(zhǎng)工作特性，實(shí)現(xiàn)了少見(jiàn)的動(dòng)態(tài)單模工作特性

12、，即縱模間隔為17nm，邊模抑制比(SMSR)為35dB(，／， =1．25)。隨后美國(guó)AT&T貝爾研究所的J．L．jewell等人在VCSEL中采用極限厚度(薄至單量子阱厚度：8nm G</p><p>　　20世紀(jì)90年代以來(lái)，光纖通信領(lǐng)域的爆炸性發(fā)展使各國(guó)開(kāi)始了以GaInAsP／InP為材料的長(zhǎng)波長(zhǎng)(1300~1500nm)VCSEL的研究；1997年開(kāi)始了以GaAIN／GaN作材料的藍(lán)紫光VCSE

13、L的研制開(kāi)發(fā)進(jìn)程。</p><p>　　2.垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)</p><p>　　所謂垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器(VCSEL) ,是指從垂直于襯底面射出激光的半導(dǎo)體激光器。這種激光器主要有三種結(jié)構(gòu): (a) 45°鏡面型; ( b) 光柵耦合型; (c) 垂直腔型。</p><p>　　45°鏡面型的激光器采用45°傾

14、斜反射鏡結(jié)構(gòu),其反射特性完全依賴于內(nèi)部反射鏡的傾角和平整度,工藝制作困難,且存在光束畸變問(wèn)題;光柵耦合型采用高階耦合光柵結(jié)構(gòu),盡管可以獲得發(fā)散角小的窄細(xì)光束,但其反射光的大部分進(jìn)入了襯底,使效率大幅降低,而且激光束的發(fā)散角度隨波長(zhǎng)變化而變化;垂直腔型為有源區(qū)直徑及腔長(zhǎng)僅為微米量級(jí)的微腔結(jié)構(gòu),容易實(shí)現(xiàn)低閾值( Ith ) ,具有較高的微分量子效率;所以,垂直腔型是垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器中最理想的結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的邊發(fā)射激光器相比,垂直腔面發(fā)

15、射激光器具有諸多優(yōu)點(diǎn):（1）具有較小的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角,發(fā)射光束窄且圓,易與光纖進(jìn)行耦合;（2）閾值電流低;（3）調(diào)制頻率高;（4）在很寬的溫度和電流范圍內(nèi)均以單縱模工作;（5）不必解理,即可完成工藝制作和檢測(cè),成本低;（6）易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模陣列及光電集成。</p><p>　　自1977 年Iga 提出制作VCSEL 的設(shè)想,該技術(shù)的進(jìn)展一直比較緩慢,而直到1989 年實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)波運(yùn)行,VCSEL 方引起人們的廣泛關(guān)

16、注。首先是量子阱結(jié)構(gòu)材料生長(zhǎng)技術(shù),以及近年來(lái)的應(yīng)變量子阱和應(yīng)變補(bǔ)償量子阱結(jié)構(gòu)的引入;其次是高反射率布喇格發(fā)射器技術(shù)的引入,使其性能得到了更大改善。由于VCSEL 具有微腔結(jié)構(gòu),從而使現(xiàn)行激光器的動(dòng)態(tài)特性得以改善。VCSEL 主要結(jié)構(gòu)分為兩部分: 中心是有源區(qū),包括體異質(zhì)結(jié)和量子阱兩種結(jié)構(gòu);其側(cè)向結(jié)構(gòu)可分為增益導(dǎo)引和環(huán)行掩埋異質(zhì)結(jié)兩種。有源區(qū)上下是反射器:一種是介質(zhì)膜反射器;另一種是分布布喇格反射器(DBR)。垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)由鏡面

17、、有源層和金屬接觸層組成。2個(gè)發(fā)射鏡分別為n 型和p 型DBR 堆的布喇格發(fā)射器。有源區(qū)由1～3 個(gè)量子阱組成。有源區(qū)的兩側(cè)是限制層,一方面起限制載流子的作用,另一方面調(diào)節(jié)諧振腔的長(zhǎng)度,使其諧振波長(zhǎng)正好是所需要的激光波長(zhǎng)。在襯底和p 型DBR 的外表面制作金屬接觸層,形成歐姆接觸,并在p 型DBR上制成一個(gè)圓形出光窗口,輸出圓形的激光束。</p><p>　　3.垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用</p>

18、<p>　　3.1 作為千兆比特光纖通信的光源</p><p>　　由于千兆比特(Gbit／s)速率通信網(wǎng)的需求不斷上升，近期內(nèi)，銅線基局域網(wǎng)(LAN)將很快終止鋪設(shè)，而由多模光纖制作的數(shù)據(jù)通信(datecom)鏈路取而代之。早期，這種系統(tǒng)依賴0．85la m或1．3 u m的發(fā)光二極管(LED)光源，其在十至幾百M(fèi)bit／s速率下工作。顯然，不能勝任千兆比特LAN的需求。市售的最優(yōu)秀的l-3ix

19、m LED僅限于在最大光纖跨距500m范圍內(nèi)以約622Mbit／s的數(shù)據(jù)速率工作，在更高速率下，廉價(jià)的LED光源就顯得躁聲太大、速率慢且效率低。改變上述狀況的方法是以低噪聲、快速的激光器代替LED。鑒于VCSEL性能比常規(guī)端面發(fā)射激光器優(yōu)異得多，因此作為光發(fā)射機(jī)的光源當(dāng)仁不讓地由VCSEL來(lái)承擔(dān)。</p><p>　　瑞典Mitel半導(dǎo)體光學(xué)營(yíng)業(yè)部經(jīng)理Olof Svenonius說(shuō)：“我們走進(jìn)VCSEL，即是走進(jìn)

20、數(shù)據(jù)通信產(chǎn)業(yè)的開(kāi)始。人們相信VCSEL和千兆比特網(wǎng)會(huì)代替規(guī)模巨大的LED和兆比特網(wǎng)，這主要是由于VCSEL顯示出優(yōu)異的性能價(jià)格比。”</p><p>　　VCSEL主要用途之一是短距離、大容量、并行數(shù)據(jù)鏈路。采用線性或二維VCSEL列陣與光纖連接的方法，如Infineon的并行數(shù)據(jù)系統(tǒng)(PAROLI)采用0．85 u m的VCSEL。據(jù)推測(cè)在適當(dāng)時(shí)候，它們會(huì)象1．3 u m和1．55 u m激光器那樣流行起來(lái)。許

21、多分析家預(yù)見(jiàn)VCSEL將成為光纖到家(fiber to home)裝置的合適光源。Mitel正在開(kāi)發(fā)用于網(wǎng)絡(luò)裝置內(nèi)部和網(wǎng)絡(luò)之間的VCSEL產(chǎn)品。公司負(fù)責(zé)人Svenonius說(shuō)：“前者將超過(guò)若干米并包括兆兆比特開(kāi)關(guān)、路由器和光橫向連接器在內(nèi)的shelf—to—shelf和board-to—board互聯(lián)網(wǎng)?！?lt;/p><p>　　1．55 u m波段調(diào)諧VCSEL對(duì)密集波分復(fù)用的應(yīng)用來(lái)說(shuō)是一種非常有趣而潛在的低成本

22、辦法。</p><p>　　3.2 用于光信號(hào)存貯的光源</p><p>　　可見(jiàn)光VCSEL和相同結(jié)構(gòu)的探測(cè)器可用于光信號(hào)存貯系統(tǒng)，以提高存貯密度。常規(guī)光盤(pán)讀出系統(tǒng)采用端面發(fā)射激光器作光源，還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)加利弗尼亞大學(xué)J．A．Hudgings等人演示了一種采用帶有內(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光束恰好聚焦

23、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＿@種方法能進(jìn)一步放大由光盤(pán)拾取頭獲得的讀出信號(hào)。當(dāng)器件被施以偏壓工作在光雙穩(wěn)狀態(tài)下時(shí)，他們實(shí)現(xiàn)了具有一2．5kHz下0．22V的峰一峰信號(hào)高效探測(cè)。這種探測(cè)技術(shù)直至50kHz時(shí)仍然有用。這一工作體現(xiàn)了密集的集成光學(xué)拾取探測(cè)的一種新型方法。</p><p>　　3.

24、3 VOSEL在光互連中的應(yīng)用</p><p>　　VCSEL及其智能像元可以象其它半導(dǎo)體激光器一樣用于光存儲(chǔ)讀／寫(xiě)光源、激光打印、顯示、圖像信號(hào)處理、光通信等方面。更為重要的是，它可以充分發(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)，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)域具有廣闊的應(yīng)用前景。</p><p>　　VCSEL(0．98 u m或0．85 u m)及其智能像元為

25、光互連技術(shù)的發(fā)展提供了關(guān)鍵器件。美國(guó)由胛、GE、Honeywell、Motorola等幾大公司牽頭的幾個(gè)大型計(jì)劃，對(duì)VCSEL激光器在計(jì)算機(jī)光互連中的實(shí)用化做了大量細(xì)致和開(kāi)創(chuàng)性的工作。由于將聚合物(Polymer)光互連技術(shù)用于光的傳輸媒介，整個(gè)模塊的造價(jià)大幅度下降，工藝流程日趨簡(jiǎn)化穩(wěn)定，1 X 16、1 X32系列的VCSEL激光器產(chǎn)品已步入實(shí)用化階段，GE和Honeywell公司共同研制了用Polymer作光波導(dǎo)的32通道VCSEL

26、光互連模塊。Motorola公司在其OPTOBUS “互連中用VCSEL作光源，實(shí)現(xiàn)了基于多模光纖的10通道并行雙向數(shù)據(jù)鏈路光互連，AT&T Bell Lab研制了用于光電集成(OEIC)的高密度32通道16Gb／s光學(xué)數(shù)據(jù)互連系統(tǒng)，其發(fā)射模塊用VCSEL陣列作光源。NEC公司研制了含VCSEL(0．98 la m)的插拔式連接器，以1Gb／s速率傳輸幾十米時(shí)的誤碼率為10 。德國(guó)Ulm大學(xué)實(shí)現(xiàn)了VCSEL(0．98 u m)以

27、lOGb／s速率傳輸500m時(shí)誤碼率小于10 。日本東京工業(yè)大學(xué)以</p><p>　　以VCSEL為基礎(chǔ)器件的具有高速大容量、高并行處理功能的光互連、光交換系統(tǒng)有著極好的應(yīng)用前景及很強(qiáng)的開(kāi)拓性和探索性。從目前器件研究的進(jìn)展?fàn)顩r來(lái)看，研究處于發(fā)展階段，由于應(yīng)用性強(qiáng)，世界各大公司都在積極開(kāi)展研究。國(guó)外一些公司的VCSEL器件開(kāi)始步入實(shí)用化階段。從應(yīng)用與市場(chǎng)角度看，現(xiàn)在仍處于應(yīng)用開(kāi)拓階段，這類研究在發(fā)展計(jì)算技術(shù)和通信

28、技術(shù)方面具有戰(zhàn)略意義。其市場(chǎng)前景廣闊，應(yīng)用需求量很大，具有重大社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　4．各波段VCSEL及應(yīng)用市場(chǎng)</p><p>　　近年來(lái)，從近紅外到紫外的VCSEL相繼問(wèn)世。78Ohm、850nm、98Ohm、130Ohm波段的VCSEL都已開(kāi)發(fā)成功且有產(chǎn)品出現(xiàn)；340nm、650nm、1550nm波段的VCSEL正在研究開(kāi)發(fā)過(guò)程中。下面就各個(gè)波段的VCSEL分別

29、闡述。</p><p>　　4.1 340nm波段VCSEL</p><p>　　此波段的VCSEL所用材料為GaA1N／GaN，從1997年開(kāi)始研究。制作這個(gè)波段的器件極為困難，目前正在大力研究反射鏡結(jié)構(gòu)、P型摻雜、光刻等工藝。1998年利用GaA1N／GaN與導(dǎo)電反射鏡的結(jié)合，在77K溫度下進(jìn)行了光泵浦VCSEL的實(shí)驗(yàn)。</p><p>　　4.2 640nm-

30、670nm波段VCSEL【2】</p><p>　　這個(gè)波段的VCSEL所用材料有InGaAsP／GaAS和A1GaInP／A1GaAs兩種。就是在條形LD中，此波段器件的晶體生長(zhǎng)、氧化、P型摻雜等制作工藝的難度都相當(dāng)大，更不用說(shuō)VCSEL了。美國(guó)桑迪亞國(guó)家研究所對(duì)此波長(zhǎng)的VCSEL作了許多研究工作，他們已報(bào)道過(guò)亞毫安級(jí)閾值電流、11％的轉(zhuǎn)換效率、8mW輸出的器件。在低價(jià)格應(yīng)用中，可將此波段VCSEL直接用作可見(jiàn)

31、光光源。從人眼的靈敏度和安全考慮需650rim或更短的波段進(jìn)行光屏蔽和距離測(cè)試。此外，650rim VCSEL可用于高密度光存儲(chǔ)系統(tǒng)、高清晰度激光打印，并且由于650nm波段時(shí)吸收損耗最小，所以特別適合用在基于塑料光纖的光通信系統(tǒng)中。日本東芝開(kāi)發(fā)的器件主要用在塑料光纖光通信系統(tǒng)中。</p><p>　　4.3 750nm-780nm波段VCSEL【3】</p><p>　　此波段VCSEL

32、所用材料為A1GaAs／GaAs。應(yīng)用于工業(yè)、環(huán)境和醫(yī)療的各類化學(xué)傳感器系統(tǒng)，其最需要頻繁測(cè)量的值是示蹤氣體的含量。發(fā)射波長(zhǎng)為763nm和780rim的單模窄線寬VCSEL具有高光譜純度特性，特別適合于光譜學(xué)和傳感器中。在氧氣的探測(cè)和原子鐘時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)中，這種VCSEL是一種非常理想的光源。</p><p>　　4.4 850nm波段VCSEL</p><p>　　此波段的VCSEL所用材

33、料為A1GaAs／GaAs。自1996年85Ohm波段的VCSEL進(jìn)入市場(chǎng)以來(lái)，此波段的VCSEL技術(shù)已經(jīng)成熟，實(shí)現(xiàn)了商品化批量生產(chǎn)，也是目前最為成功的VCSEL產(chǎn)品。它是短程(~50Ore)光纖通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件。形成的陣列產(chǎn)品主要應(yīng)用在中心局開(kāi)關(guān)和路由器、DWDM、局域網(wǎng)(LAN)和光纖信道存儲(chǔ)網(wǎng)(SAN)中。最近有報(bào)導(dǎo)稱將反射鏡略微傾斜，并結(jié)合其它工藝最佳化，實(shí)現(xiàn)了亞毫安級(jí)閾值電流、輸出功率為lOmW的器件。</p>

34、<p>　　85Ohm VCSEL轉(zhuǎn)換效率高達(dá)57％，在光纖通信應(yīng)用的市場(chǎng)需求不斷增大，現(xiàn)今數(shù)據(jù)傳輸速率主要為1～2．5Gb／s，用在高速以太網(wǎng)上的傳輸模塊(它也是目前應(yīng)用得最為成功的VCSEL元件)的傳送速率為1．25Gb／s、傳輸距離為300~500m。在“OFC 2002”上此器件在高速傳輸方面的成果展示也是接連不斷。其中，美國(guó)</p><p>　　Honeywel l演示了不用透鏡就將以10

35、．3Gb／s直接調(diào)制的輸出光在多模光纖中傳輸，并進(jìn)行波形測(cè)試。該公司目前正以量產(chǎn)供貨為目標(biāo)進(jìn)行可行性評(píng)估。現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)始向特定用戶供應(yīng)工業(yè)樣品。日本富士施樂(lè)也發(fā)布了使用本公司獨(dú)立開(kāi)發(fā)的VCSEL lOGb／s傳送的相關(guān)測(cè)試結(jié)果。輸出激光的功率為一3dBfrI時(shí)的調(diào)制頻率非常高，達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)12．5GHz。</p><p>　　據(jù)Anadigics公司預(yù)測(cè)在2003年其模塊市場(chǎng)將達(dá)4．5億美元。Motorola和刪是最

36、先提供模塊封裝的公司，而Honeywell則提供T0封裝VCSEL元件，之后又有Mitel Semiconductor、Vixel及Mode、LasermateGroup、ATX、德國(guó)的Ulm等公司的產(chǎn)品加入市場(chǎng)。以Honeywell【4】公司 為例，用于LAN2．5Gb／s數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩嗄CSEL產(chǎn)品型號(hào)有：HFE4090-321， HFE4090-341，HFE409x一341，HFE409x一342等；用于LAN 1．25 Gb／

37、s數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩嗄CSEL產(chǎn)品型號(hào)有：HFE4080-321，HFE4081-321， HFE4084-322等；用于位置傳感的單模VCSEL產(chǎn)品型號(hào)有SMv2637—001，SV2637—001，SV3637—001等。Gb／s級(jí)VCSEL用于以太網(wǎng)等光網(wǎng)的市場(chǎng)規(guī)模目前己達(dá)1000億日元</p><p>　　4.5 980nm波段VCSEL</p><p>　　此波段VCSEL所用材料為

38、InGaAs／GaAs。采用GaAs／A1As布拉格反射鏡的980nm VCSEL有最佳的性能。</p><p>　　此器件的閾值電流從0．7mA、0．65mA、0．2mA逐次下降，現(xiàn)在閾值電流降到亞毫安級(jí)沒(méi)有問(wèn)題。AlAs選擇氧化</p><p>　　法具有電流優(yōu)勢(shì)，氧化層有很強(qiáng)的光限制作用，有利于降低閾值。德克薩斯大學(xué)Deppe等人首次采用這種氧</p><p>

39、;　　化工藝，成功降低了閾值電流。A1氧化膜折射率只有1．5，非常小，相當(dāng)一個(gè)凸透鏡，聚光l生能佳，可大幅</p><p>　　度降低光的衍射損失。德國(guó)Ulm大學(xué)演示的980nm波段的ps(10的-12次方S)級(jí)聯(lián)VCSEL【5】，其光泵浦波長(zhǎng)為805nm，有高達(dá)2GHz的重復(fù)脈沖頻率和大于200mW的平均輸出功率，適用于光時(shí)鐘、半導(dǎo)體電子和通信元器件中的光檢測(cè)、粒子發(fā)生器、模數(shù)變換等。</p>&

40、lt;p>　　4.6 1300nm波段VCSEL</p><p>　　此波段VCSEL所用材料有兩種：GaInNAs／GaAs和GalnAsP／InP。GaInNAs是一種能與GaAs很好晶格匹配的材料，它可直接在GaAs襯底上形成。這能使1300nm有源區(qū)與已成熟的AlAs和GaAs材料形成DBR反射陣列平滑地集成到相同的襯底上。并且，它更優(yōu)于GalnAsP／InP結(jié)構(gòu)之處在于：GaInNAs與GaAs勢(shì)

41、壘結(jié)合會(huì)產(chǎn)生 。高導(dǎo)帶補(bǔ)償，使有源區(qū)內(nèi)有更好的電子限制。以上兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)使GalnAsN材料系VCSEL具有很大的吸引力。</p><p>　　此波段VCSEL遇到的難題是P型材料在1300nm吸收的光比在850nm或980nm吸收的光大得多，因而難以設(shè)計(jì)具有充分低的吸收率、能發(fā)射激光并為量子阱提供空穴的結(jié)構(gòu)(損耗太大就不能發(fā)射激光)。桑迪亞實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的此波段VCSEL技術(shù)采用一種稱為隧道結(jié)的技術(shù)來(lái)解決光的吸收問(wèn)題

42、。</p><p>　　隧道結(jié)在頂部反射鏡中將電子轉(zhuǎn)換為空穴，它是一種可提供n型載流子而另一端可提供P型載流子的二極管。這樣，VCSEL可在頂部和底部都產(chǎn)生不吸收光的n型反射鏡。然后在量子阱正~n,J8，來(lái)自頂部的n型載流子轉(zhuǎn)換為空穴，與來(lái)自底部的電子重新結(jié)合。圖6所示為桑迪亞實(shí)驗(yàn)室參與制造的VCSEL的橫截面。氧化孔與隧道結(jié)的結(jié)合有助于在GaAs襯底上構(gòu)造VCSEL器件。利用InGaAsN新材料、隧道結(jié)和業(yè)已成

43、熟的VCSEL設(shè)計(jì)／生產(chǎn)技術(shù)，生成高效、電泵浦VCSEL器件就成為可能，從而使更長(zhǎng)波長(zhǎng)的遠(yuǎn)程光鏈路能夠利用VCSEL的低成本、可靠和優(yōu)異的性能。</p><p>　　1300nm波段VCSEL處于光纖的低色散窗口，是高速長(zhǎng)距離光纖通信，光并行處理，光識(shí)別系統(tǒng)及并行光互連系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件。極有可能取代850rim波段VCSEL。采用基于1310rim VCSEL模塊所帶來(lái)的最直接的好處就是降低功耗(最低可降低50％

44、)和成本。如表2所示，1310nm VCSEL在中短距離和長(zhǎng)距離應(yīng)用中，可以直接代替FP和DFB激光器。</p><p>　　4.7 1500nm波段VCSEL</p><p>　　1990年以后，世界各國(guó)開(kāi)始了長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSEL的研制工作。1550nmVCSEL的材料之一為InGaAsP／InP。目前用InCra~ P制作長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSEL有三大難點(diǎn)：(a)俄歇吸收和價(jià)帶吸收大。(b)Bra

45、gg反射鏡制作困難，InGaAsP與InP兩種材料的折射率差小。(c)兩種材料導(dǎo)帶問(wèn)的勢(shì)壘小，特別是隨著載流子濃度增大，溫度特性顯著變壞。</p><p>　　有報(bào)告稱：InGaAsP／InP晶體與GaAs／AlAs反射鏡相互焊接，1550nm VCSEL實(shí)現(xiàn)了144~C的脈沖振蕩，閾值電流0．8mA，并在69～7l℃的溫度下實(shí)現(xiàn)了連續(xù)工作。日本NTT光子實(shí)驗(yàn)室為獲得低的閾值電流和穩(wěn)定的橫模，將具有充分的橫向限制

46、的掩埋異質(zhì)結(jié)(BH)引入VCSEL(圖7)，并采用薄膜晶片熔合技術(shù)將DBR鍵合到VCSEL中。由于BH具有充分的電光限制，因此閾值電流不受臺(tái)面尺寸的影響(5gm VCSEL的閾值電流低至380gA)；又由于BH具有充分的橫向限制，因此器件在最大輸出功率的狀態(tài)下(連續(xù)波工作)都能保持單橫模工作。</p><p>　　1550nm波段VCSEL主要作為光通信中的光源，應(yīng)用于長(zhǎng)距離、寬帶高速光纖通信；可靠的低價(jià)格光纖鏈

47、路；零偏發(fā)射機(jī)和二維發(fā)射陣列；且有潛力解決超大規(guī)模集成電路(VLSI)互連的瓶頸問(wèn)題，是LAN、城域網(wǎng)(MAN)、WDM，DWDM的關(guān)鍵器件。目前1550nm VCSEL正處于大力研究發(fā)展階段。</p><p>　　5.垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器國(guó)內(nèi)外研究狀況</p><p>　　國(guó)外許多國(guó)家和大公司目前均從事VCSEL的研究,其中包括桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本東京工業(yè)大學(xué)、德國(guó)UL

48、M 大學(xué)等。德國(guó)ULM 大學(xué)在2001 年報(bào)道了有源區(qū)直徑為320μm 的VCSEL 在室溫連續(xù)工作下,激射波長(zhǎng)為980nm ,閾值電流為1. 1A 時(shí)的最高輸出光功率為0. 89W;在10ns 脈沖下,峰值功率達(dá)10W。這是目前報(bào)道的VCSEL 的最高功率值。</p><p>　　1993 年前后,中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所、北京大學(xué)、吉林大學(xué)等單位開(kāi)始研制半導(dǎo)體垂直腔面發(fā)射激光器和微盤(pán)激光器。中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所采用M

49、BE 法生長(zhǎng)多層DBR 和量子阱,結(jié)合質(zhì)子轟擊半導(dǎo)體工藝,實(shí)現(xiàn)了激射波長(zhǎng)為0. 86μm、閾值為8mA 的面發(fā)射激光器。1995 年VCSEL 最低閾值降低到1. 5～2mA。1997 年使用選擇性氧化工藝制造出陣列VCSEL ,同時(shí)研制了其他波長(zhǎng)的半導(dǎo)體面發(fā)射激光器。吉林大學(xué)在VCSEL 的研究方面亦取得新進(jìn)展。2000 年,有關(guān)科研人員對(duì)半導(dǎo)體面發(fā)射微腔激光器的自發(fā)發(fā)射進(jìn)行了深入的研究。</p><p>　　

50、6.垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的未來(lái)前景</p><p>　　制備高反射率的DBR、長(zhǎng)波長(zhǎng)材料的晶格匹配問(wèn)題,以及大功率的散熱問(wèn)題一直是制約垂直腔面發(fā)射激光器發(fā)展的主要瓶頸;但高性能,長(zhǎng)、短波長(zhǎng),單模工作的垂直腔面發(fā)射激光器的性能將在研究人員的努力下得到進(jìn)一步的提高。</p><p>　　垂直腔面發(fā)射激光器必將在光網(wǎng)絡(luò)、光互連、光集成電路等方面有著廣闊的應(yīng)用前景,必將擁有光輝燦爛的未來(lái)。&l

51、t;/p><p><b>　　7．結(jié)語(yǔ)</b></p><p>　　VCSEL具有常規(guī)端面發(fā)射激光器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)：其光束是園形的，易于實(shí)現(xiàn)與光纖的高效耦合；VCSEL的有源區(qū)尺寸可做得非常小， 以獲得高封裝密度和低閾值電流；適宜的設(shè)計(jì)可將激光二極管制成簡(jiǎn)單的單片集成二維列陣，以實(shí)現(xiàn)二維光數(shù)據(jù)處理所用的激光源；芯片生長(zhǎng)后無(wú)須解理、封裝即可進(jìn)行在片實(shí)驗(yàn)。</p>

52、<p>　　由于長(zhǎng)距離寬帶高速光通信、高速存取光信息處理、高性能、低成本光互連器件的需求牽引，VCSEL器件無(wú)論從材料、種類還是波長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)都呈多元化高速發(fā)展趨勢(shì)。目前，0．85～0．95 la m波段VCSEL較為成熟，并已實(shí)現(xiàn)商用化。而1．3～1．55 IJ．m VCSEL作為長(zhǎng)程光通信光源也呈現(xiàn)出新的增長(zhǎng)趨勢(shì)，但制作1．3 IJ．m或1．55 IJ．m VCSEL的技術(shù)問(wèn)題還需不斷解決。</p><

53、p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　伊賀健一．面騷光L，一廿一研究0屋史邑展望[J]．L，一 一研究，2001(12)：768~772。</p><p>　　Zorn K M．High efficiency A1GaInP—based 65Ohm vertical—cavity surface—emitting laser[J]．Electr

54、onics Letters，2001，37(20)：1222~1223。</p><p>　　Zappe H P． High spectral—purity VCSELs for spectroscopy and sensors[J]．Proceedings of SPIE，2000，3945：106～ l16．</p><p>　　http：／／content．honeywel 1．co