垂直腔面發(fā)射激光器(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(fā)出的激光束與襯底表面垂直的半導體激光器結構,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(yōu)勢。近年來,由于VCSEL的市場迅速發(fā)展,針對不同的應用需求,VCSEL的功率、速率、能效以及高溫穩(wěn)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(fā)光學報》(EI、核心期刊)發(fā)表了題為“垂直腔面發(fā)射激光器研究進展”的綜述文章,共同第一作者是博士研究生張繼業(yè)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
半導體激光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(jīng)在許多領域得到了廣泛應用。研究人員在邊發(fā)射激光器的研制過程中遇到了陣列制備工藝復雜、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(yè)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(jīng)得到了市場的廣泛認可,其應用領域也呈爆炸式增長(圖1)。隨著激光泵浦、醫(yī)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,由于先進駕駛系統(tǒng)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)技術與5G通信技術等應用愈發(fā)成熟,信息的急劇增加產(chǎn)生了對數(shù)據(jù)帶寬大幅增長的需求,而高速VCSEL因其在光互連和光數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中的應用而成為全球研究的熱點。而能應用在光互聯(lián)、3D傳感、車載雷達、原子鐘等領域,緣于VCSEL的關鍵特性:穩(wěn)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(wěn)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(fā)展迅速。在國內,中科院長春光機所通過研究和創(chuàng)新,在國際上首次實現(xiàn)了1.95 W單管VCSEL連續(xù)輸出,隨后又將VCSEL陣列式脈沖輸出功率提高到210 W。經(jīng)過國內外的不懈努力,VCSEL器件的輸出功率已經(jīng)達到上千瓦,在紅外照明、泵浦光源、工業(yè)加熱、LiDAR以及3D傳感等應用領域的市場規(guī)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,國內外研究人員采用了環(huán)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,期望獲得高的調制帶寬,這就需要降低寄生電容、阻尼和熱效應等限制因素對調制帶寬的影響。國內外研究人員通過優(yōu)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(shù)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(xiàn)了超過了50 Gbps的無誤碼傳輸、28.2 GHz的調制帶寬。針對980 nm和1 100 nm波長,高速VCSEL由于采用InGaAs/GaAs應變量子阱作為有源區(qū),最終實現(xiàn)了35 GHz的調制帶寬。
原子鐘和光互聯(lián)所應用的光源需要VCSEL器件在高溫環(huán)境下工作,所以穩(wěn)定的高溫性能是必不可少的關鍵因素。這需要從VCSEL芯片表面刻蝕微結構及增益失諧設計等方面進行優(yōu)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(chuàng)新實驗,在國內首次實現(xiàn)了795 nm/894 nm VCSEL高溫下高效率工作。而在光互聯(lián)應用方面,經(jīng)過國外研究機構的優(yōu)化后,VCSEL器件結構在高溫下仍能完成60 Gbps無誤碼數(shù)據(jù)傳輸。并且新結構、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(wěn)定等性能方面已經(jīng)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(shù)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
近幾年的研究報道顯示,短波長高速VCSEL的調制帶寬接近了常規(guī)氧化物限制VCSEL的極限,即35 GHz,并且其調制速率的提升依賴于調制方式和電子驅動設備的技術進步。而今后高速VCSEL的研究還需要向長波長方向延伸,即1 310 nm和1 550 nm,其光纖損耗遠小于短波波段的損耗,可以將通信距離延伸至20 km以上。但是在該波段,VCSEL芯片外延生長有較大難度,因此長波波段高速VCSEL還沒有廣泛應用于光互聯(lián)。
(3)高溫工作VCSEL的研究
原子鐘和光互聯(lián)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,并且諧振載流子光子相互作用的本征阻尼也會影響VCSEL的調制速度。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(shù)據(jù)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年于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(chuàng)新人才推進計劃“大功率半導體激光器重點領域創(chuàng)新團隊”,擔任團隊負責人。2015年獲得吉林省技術發(fā)明一等獎。近年來在大功率垂直腔面發(fā)射激光研究中,率領團隊于2014年研制出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(fā)射激光集成面陣輸出功率210 W”為題專文進行了評述。在芯片原子鐘專用高溫垂直腔面發(fā)射激光方面,組織團隊突破InAlGaAs等新材料結構設計與制備等問題,在國內首次實現(xiàn)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 年于吉林大學獲得碩士學位,主要從事激光技術等領域的基礎及應用研究。
文章信息
張繼業(yè), 李雪, 張建偉, 等. 垂直腔面發(fā)射激光器研究進展[J]. 發(fā)光學報, 2020, 41(12):1443-1459.
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