高溫穩(wěn)定25 Gbit/s 850 nm垂直腔面發(fā)射激光器

周廣正， 蘭 天， 李 穎， 王智勇

(北京工業(yè)大學(xué) 激光工程研究院，北京 100124)

1 引 言

垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)具有高調(diào)制速率、低閾值電流、圓形光斑易與光纖耦合和高溫穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于短距離數(shù)據(jù)通信和并行高速光纖通信。在高性能計(jì)算機(jī)中基于VCSEL的光互聯(lián)已經(jīng)替代了機(jī)架內(nèi)的電互聯(lián)。在計(jì)算機(jī)內(nèi)部溫度很容易達(dá)到80 ℃以上，非水冷的VCSEL芯片將大幅減少超級(jí)計(jì)算機(jī)的水冷成本[1]。由于VCSEL器件很小，而有源區(qū)和DBR中產(chǎn)生的熱量需經(jīng)過N型DBR和襯底導(dǎo)入熱沉，因此散熱性較差；Westbergh等[2]通過采用高熱導(dǎo)率AlAs作為DBR中的低折射率層，可以有效傳導(dǎo)有源區(qū)產(chǎn)生的熱量。李惠等[3]通過模擬分析，從數(shù)值結(jié)構(gòu)比較得出，采用二元系的Bottom-DBR的VCSEL器件相比三元系Bottom-DBR的器件，熱性能可以有很大的提高。竹內(nèi)哲也[4]中使高熱導(dǎo)率層的厚度大于λ/4，低熱導(dǎo)率層小于λ/4，且保持總厚度等于λ/2，從而減小了DBR的熱阻。本文中N型DBR采用AlAs/Al0.12Ga0.88As材料，且通過增加高熱導(dǎo)率材料AlAs和減小低熱導(dǎo)率材料Al0.12Ga0.88As的厚度，增大了N型DBR的熱導(dǎo)率，提高了器件高溫工作性能。工作時(shí)器件內(nèi)部溫度很高，而量子阱增益譜隨溫度變化較大，需要精確設(shè)計(jì)量子阱峰值增益波長和VCSEL整體結(jié)構(gòu)F-P腔模波長，才能使得輸出功率較高，并且能在環(huán)境溫度80 ℃以上高溫條件下正常工作[5-7]。通過后期芯片制作，最后制備了可用于高溫工作的25 Gbit/s VCSEL器件。

2 結(jié)構(gòu)與理論分析

AlxGa1-xAs材料的熱導(dǎo)率如圖1所示[8]，由于GaAs材料對(duì)850 nm波長的光具有強(qiáng)烈的吸收作用，所以DBR高折射率層材料經(jīng)常選擇適當(dāng)組分AlxGa1-xAs，本文選擇了Al0.12Ga0.88As作為高折射率層，其禁帶寬度為1.574 eV，對(duì)應(yīng)波長為788 nm，避免了對(duì)850 nm波長的光造成強(qiáng)烈的吸收。由于高Al組分材料容易被氧化，所以在最下面的28對(duì)N型DBR中使用熱導(dǎo)率較高的AlAs材料作為DBR的低折射率層，與之相鄰的3對(duì)N型DBR仍用Al0.12Ga0.88As/Al0.90Ga0.10As材料。

圖1 AlxGa1-xAs材料熱導(dǎo)率隨組分的變化

Fig.1 Thermal conductivity of AlxGa1-xAs varying with component

第一次刻蝕只刻到上面的3對(duì)N型DBR，下面含有AlAs材料的DBR沒有暴露，可以正常進(jìn)行下一步的氧化工藝。

由于DBR高低折射率層的厚度并不需要嚴(yán)格滿足λ/4[4]，最下面的28對(duì)N型DBR可以增加AlAs層的厚度而減小Al0.12Ga0.88As層的厚度，從而進(jìn)一步提高DBR的熱導(dǎo)率。圖2模擬了28對(duì)不同AlAs層厚度DBR的反射率譜，且保持AlAs層和Al0.12-Ga0.88As層厚度和為λ/2?？梢钥闯龇瓷渎首V形狀基本一致，且高反射率帶中心波長都保持在850 nm，不會(huì)對(duì)VCSEL整體結(jié)構(gòu)的反射率譜產(chǎn)生明顯的影響。圖3為850 nm處的反射率隨AlAs厚度變化的曲線。可以看出隨著AlAs層厚度的增大反射率減小，綜合考慮選取AlAs的厚度為0.2875λ，相應(yīng)的Al0.12Ga0.88As層厚度為0.2125λ。

圖2 不同AlAs層厚度的DBR反射率譜

Fig.2 Reflectance spectra of DBR with different thickness of AlAs layer

圖3 DBR中心波長的反射率隨AlAs厚度變化曲線

Fig.3 Center wavelength reflectance of DBR varying with the thickness of AlAs layer

表1對(duì)比了不同結(jié)構(gòu)DBR熱導(dǎo)率和反射率(不考慮漸變層)。其中總熱導(dǎo)率

(1)

其中di為第i層的厚度，ρi為第i層的熱導(dǎo)率，m為DBR總層數(shù)。

從表1可以看出，結(jié)構(gòu)2通過采用高熱導(dǎo)率AlAs材料，總熱導(dǎo)率ρtot大幅增加；由于折射率差增大，所以中心波長的反射率也有所增大。結(jié)構(gòu)3通過增加高熱導(dǎo)率材料AlAs的厚度，ρtot由778.67 W/(cm2·K)增加到843.64 W/(cm2·K)，而中心波長反射率只減小了不到0.01%。通過對(duì)DBR材料的選擇和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，大幅提高了DBR的散熱性能。

表1 不同DBR結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率和反射率

3 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)采用Veeco公司的K475i型MOCVD設(shè)備進(jìn)行外延生長，反應(yīng)室壓力為5.6 kPa，溫度為650～700 ℃，Ⅲ族源為三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)和三甲基銦(TMIn)，Ⅴ族源為砷烷(AsH3)，n型摻雜源為Si2H6，p型摻雜源為四溴化碳(CBr4)。采用偏<110> 2°的GaAs(100)襯底，生長了VCSEL的整體結(jié)構(gòu)，包括N型GaAs接觸層，28對(duì)Al0.12Ga0.88As/AlAs加3.5對(duì)Al0.12-Ga0.88As/Al0.90Ga0.10As材料的N型DBR，InGaAs/AlGaAs材料的應(yīng)變量子阱，兩個(gè)Al0.60Ga0.40As限制層，厚度30 nm的Al0.98Ga0.02As氧化層；22.5對(duì)Al0.12Ga0.88As/Al0.90Ga0.10As材料的P型DBR和GaAs帽層。并且單獨(dú)生長了量子阱結(jié)構(gòu)來確認(rèn)量子阱光致發(fā)光(PL)光譜特性。采用Nanometrics RPMblue光致熒光光譜儀對(duì)量子阱進(jìn)行測(cè)試，光源為532 nm激光器，量子阱光致熒光光譜峰值波長為829 nm。并利用該設(shè)備測(cè)試了VCSEL外延片白光反射譜，F(xiàn)-P腔模波長為847 nm，F(xiàn)-P腔模波長與PL峰值波長差值為18 nm[9-10]。后期芯片工藝制作了孔徑為7 μm的氧化限制型頂發(fā)射VCSEL器件。

VCSEL器件完成后封裝成TO形式，在變溫工作臺(tái)測(cè)試了不同溫度下的直流特性。850 nm VCSEL單管不同溫度下的功率-電流(P-I)曲線如圖4所示，可以看出25 ℃時(shí)熱反轉(zhuǎn)功率超過8 mW；85 ℃時(shí)熱反轉(zhuǎn)電流為11 mA，功率達(dá) 5 mW，表現(xiàn)出較好的高溫工作特性。室溫6 mA下的遠(yuǎn)場(chǎng)分布如圖5所示，x方向的發(fā)散角為14.37°，y方向的發(fā)散角為16.97°，遠(yuǎn)場(chǎng)分布的不對(duì)稱性可能是由于電流不均勻注入導(dǎo)致。

圖4 不同溫度下的P-I曲線

圖5 室溫6 mA下的遠(yuǎn)場(chǎng)分布

圖6 不同溫度下的25 Gbit/s眼圖特性。 (a) 0 ℃；(b) 25 ℃；(c)70 ℃.

Fig.6 25 Gbit/s eye diagrams at different temperature. (a) 0 ℃. (b) 25 ℃ . (c) 70 ℃.

圖6為不同溫度、6 mA偏置電流下的眼圖特性，可以看出不同溫度工作條件下眼圖都比較清晰，表現(xiàn)出較好的高溫工作性能[11-12]。70 ℃時(shí)噪聲和抖動(dòng)變大，可能是由于溫度升高輸出功率下降，導(dǎo)致相對(duì)強(qiáng)度噪聲增大[13]。

4 結(jié) 論

本文通過在N型DBR中采用高熱導(dǎo)率AlAs材料，且增加AlAs層所占的厚度比例，在保持DBR反射率基本不變的情況下，總熱導(dǎo)率ρtot由483.31 W/(cm2·K)增加到843.64 W/(cm2·K)，提高了器件高溫工作性能。采用MOCVD設(shè)備外延生長了波長為850 nm VCSEL；PL峰值波長829 nm，白光反射譜FP腔模波長為847 nm。制作了VCSEL器件，不同溫度條件下的直流測(cè)試結(jié)果表明：25 ℃時(shí)熱反轉(zhuǎn)功率超過8 mW；85 ℃ 時(shí)熱反轉(zhuǎn)電流為11 mA，功率達(dá)5 mW，表現(xiàn)出較好的高溫直流工作特性。遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角小于17°。0～70 ℃的溫度條件下眼圖都較清晰，表明器件滿足高溫25 Gbit/s工作要求。還需要進(jìn)行老化實(shí)驗(yàn)等，驗(yàn)證VCSEL器件的可靠性和穩(wěn)定性。