高速850/980 nm垂直腔面發(fā)射激光器的研究進(jìn)展

邢茹萍，馬淑芳，單恒升，劉青明，侯艷艷，黃佳瑤，許并社,2

(1.陜西科技大學(xué)前沿科學(xué)與技術(shù)轉(zhuǎn)移研究院 材料原子·分子科學(xué)研究所，陜西 西安 710016)(2.太原理工大學(xué) 新材料界面科學(xué)與工程教育部重點實驗室，山西 太原 030024)

1 前 言

垂直腔面發(fā)射激光器(vertical cavity surface emitting laser，簡稱VCSEL)是一種新型的半導(dǎo)體激光器，目前已成為光通訊、光互聯(lián)、高速局域網(wǎng)、3D傳感等眾多領(lǐng)域的理想光源[1, 2]。在高速遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸中，一般采用量子阱激光器及光譜寬度較窄的分布反饋式激光器。而對于中短距離的光纖數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，如超級計算機中心、光纖到戶(FTTH)工程、芯片間互聯(lián)等，VCSEL發(fā)揮著更為重要的作用。相對于邊發(fā)射激光器，VCSEL具有較小的發(fā)散角、圓形的輸出光斑、易于實現(xiàn)二維陣列集成、閾值低、穩(wěn)定性好、調(diào)制速率高等優(yōu)點[3, 4]，與并行光傳輸以及并行光互連等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)傳輸需求完美對應(yīng)，以極大的優(yōu)勢應(yīng)用于單通道和并行光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，成為了寬帶以太網(wǎng)、高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)中關(guān)鍵的光電子器件。另外，近年來VCSEL在輸出功率、數(shù)據(jù)傳輸速度、光束質(zhì)量、光電轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定性等方面實現(xiàn)了巨大的突破，同時在3D傳感、激光打印、光探測與測距等光電子領(lǐng)域也開拓了新應(yīng)用[4, 5]。

近年來，隨著寬帶語音和視頻數(shù)據(jù)的融合，網(wǎng)絡(luò)流量快速增長，人類已經(jīng)進(jìn)入到光纖通信、移動通信和高速寬帶信息網(wǎng)絡(luò)的時代，對網(wǎng)絡(luò)傳輸速率與數(shù)據(jù)處理能力提出了更高的要求，使得高速VCSEL逐漸成為高速光通訊與光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的主要光源之一[6, 7]。因此，深入研究影響VCSEL的高速調(diào)制特性，提高傳輸速率和調(diào)制帶寬迫在眉睫。850 nm波段具有低傳輸損耗、高調(diào)制速率、生長技術(shù)成熟等特點，在短距離數(shù)據(jù)通訊方面已展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。而作為光纖另一個低損耗窗口的980 nm波段，其相比于850 nm波段具有更好的溫度穩(wěn)定性和低功率損耗。850和980 nm兩個近紅外波段VCSEL作為短距離光傳輸?shù)暮诵钠骷?，其高速性能決定了整個光傳輸和光互聯(lián)的傳輸性能。因此，近年來研究者從影響VCSEL的高速調(diào)制物理機制和影響高速性能的主要因素出發(fā)，不斷優(yōu)化VCSEL的外延結(jié)構(gòu)與工藝條件，使VCSEL的高速特性得到了迅速提高。

本文首先介紹了VCSEL的器件結(jié)構(gòu)，然后從影響VCSEL高速性能的因素出發(fā)進(jìn)行合理設(shè)計，綜述了近年來850和980 nm波段VCSEL在實現(xiàn)更高傳輸速率、高調(diào)制帶寬性能方面的研究進(jìn)展，最后對VCSEL未來的發(fā)展前景做了展望。

2 VCSEL的器件結(jié)構(gòu)

VCSEL器件是通過金屬有機物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)或分子束外延(MBE)技術(shù)在GaAs襯底上沉積而成。其結(jié)構(gòu)包括高反射率(>99%)的上下分布的布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector, DBR)、有源區(qū)、氧化限制層、接觸電極等，如圖1所示[8]。有源區(qū)主要是量子阱(QW)或量子點(QD)結(jié)構(gòu)，位于垂直諧振腔諧振時駐波的中心腹點處，以提供有效的光學(xué)放大。DBR由光學(xué)厚度為激射波長的四分之一的兩種高低折射率不同的材料交替生長而成。通過調(diào)節(jié)兩種材料的折射率差異及其層數(shù)和對數(shù)可使其反射率達(dá)到99%以上，同時還可通過優(yōu)化DBR的材料、對數(shù)和層數(shù)來降低內(nèi)部熱損耗和閾值電流密度，最終提高器件性能。氧化限制層由高鋁組分GaAlAs組成，如Ga0.02Al0.98As材料，該層經(jīng)濕法氧化后變成具有低折射率、高絕緣的Al2O3層，從而實現(xiàn)橫向電流和光場的限制作用。通過在頂部和底部制作金屬接觸層，向有源區(qū)注入電流，并在上下表面制成一個圓形出光口，最終輸出圓形的激光光斑。為獲得高傳輸速率的VCSEL器件，近年來研究人員主要從優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和提高工藝精度兩方面來提高其高速調(diào)制特性。在優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)方面，研究者多采用應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)、雙氧化限制層結(jié)構(gòu)、有源區(qū)采用λ/2短腔長結(jié)構(gòu)來增強VCSEL有源區(qū)中光子的橫向與縱向限制，使載流子及光子利用效率進(jìn)一步提高，最終提高傳輸性能。在提高器件工藝精度方面，通常采用優(yōu)化氧化孔徑、干濕法刻蝕技術(shù)和苯并環(huán)丁烯(BCB)平坦化技術(shù)來提高其高速調(diào)制特性。

圖1 一種典型的GaAs垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)的結(jié)構(gòu)示意圖[8]Fig.1 Structure diagram of a typical GaAs based vertical cavity surface emitting laser (VCSEL)[8]

3 高速VCSEL的理論設(shè)計

850/980 nm VCSEL是一種通過改變注入電流來對其光強進(jìn)行直接調(diào)制的光電子器件。當(dāng)外加恒定電流時，VCSEL會伴隨著內(nèi)部弛豫振蕩、電學(xué)寄生參數(shù)及其自熱效應(yīng)的產(chǎn)生，而這3個特性的限制都會對VCSEL的高速調(diào)制性能產(chǎn)生重要影響。近年來，研究人員主要從優(yōu)化這些限制因素的角度出發(fā)，來提高其高速傳輸特性。

3.1 馳豫振蕩頻率對VCSEL高速性能的影響

弛豫振蕩頻率是表征VCSEL高速特性的一個重要參數(shù)，其大小是限制高速調(diào)制帶寬的因素之一，在不考慮阻尼和其他因素的情況下，調(diào)制帶寬隨著弛豫振蕩頻率的增加而線性增加。弛豫振蕩頻率fr是VCSEL中載流子和光子之間的固有振蕩頻率，可以表示如下：

(1)

式中，vg為群速度，a為微分增益，Np為光子密度，τp為光子壽命，Γ為限制因子，ηi為載流子注入有源區(qū)的效率，q為電荷量，Vp為有源區(qū)體積，I為偏置電流，Ith為閾值電流。由式(1)可知，量子阱微分增益的提高可以增大弛豫振蕩頻率。然而弛豫振蕩頻率也受到溫度和驅(qū)動電流的影響，當(dāng)VCSEL工作時，隨著驅(qū)動電流的增大，弛豫振蕩頻率先增大到fr,max，然后逐漸減小。這主要是因為當(dāng)溫度升高時，量子阱中的載流子會獲得更高的能量，而獲得高能量的載流子會越過勢壘層發(fā)生泄漏，導(dǎo)致微分增益降低，最終使得弛豫振蕩頻率降低[9-14]。馳豫振蕩頻率是影響氧化限制VCSEL -3 dB帶寬的決定因素，馳豫振蕩頻率越大，氧化限制VCSEL的-3 dB帶寬越大。因此，可通過提高微分增益來獲得更大的馳豫振蕩頻率，從而提高VCSEL的高速性能。

理論表明，由于InGaAs/AlGaAs量子阱相對于傳統(tǒng)的GaAs/AlGaAs量子阱結(jié)構(gòu)具有較大的微分增益，同時InGaAs/AlGaAs結(jié)構(gòu)的VCSEL能夠在大驅(qū)動電流下工作，從而獲得更大的弛豫振蕩頻率，最終提高調(diào)制帶寬。2009年，瑞典Chalmers University of Technology的Westbergh等采用InGaAs/AlGaAs量子阱取代傳統(tǒng)的GaAs/AlGaAs量子阱，從而使有效增益和微分增益明顯提高。當(dāng)使用InGaAs/AlGaAs作為有源區(qū)時，VCSEL的-3 dB帶寬在25 ℃時達(dá)到20 GHz，在85 ℃時達(dá)到15.2 GHz，調(diào)制帶寬明顯提高[15]。

3.2 寄生參數(shù)對VCSEL高速性能的影響

當(dāng)VCSEL進(jìn)行高速光電調(diào)制時，需向有源區(qū)注入高速調(diào)制電流，而電學(xué)寄生參數(shù)(包含寄生電阻和寄生電容)會阻止有源區(qū)高速調(diào)制電流的注入，從而影響VCSEL的高速調(diào)制特性。因此，電學(xué)寄生參數(shù)是限制高速調(diào)制特性的主要因素之一，可通過傳輸函數(shù)Hp(f)表示：

(2)

式中，B是比例常數(shù)，f為調(diào)制頻率，fp是寄生截止頻率。寄生電阻是由DBRs的串聯(lián)電阻、結(jié)電阻和氧化物孔徑引起的電阻共同決定的，寄生電容主要來自有源區(qū)處結(jié)電容、氧化限制層處電容和電極間電容。當(dāng)VCSEL調(diào)制頻率高于截止頻率時，寄生參數(shù)會被一階低通濾波器阻止有源區(qū)注入高速調(diào)制電流，導(dǎo)致調(diào)制帶寬降低。因此，寄生電容與寄生電阻的減小是一種提高VCSEL高速調(diào)制特性的有效方法。一般而言，為了降低寄生電阻，通常采用DBRs調(diào)制摻雜剖面，將吸收損耗降至最低。此外，由于寄生電容與氧化限制層的厚度成反比，為了減小寄生電容，有研究者提出采用多層氧化限制層來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單層氧化限制層[16, 17]。圖2顯示了單層和雙層氧化限制層VCSEL的模擬頻率響應(yīng)，結(jié)果表明，在采用雙約束氧化層時，VCSEL的寄生電容降低，器件的-3 dB帶寬從17.1提高到21.1 GHz[7]。

圖2 模擬單層(a)和雙層氧化限制層(b)的850 nm VCSEL的頻率響應(yīng)圖[7]Fig.2 Simulated frequency responses of the 850 nm VCSEL with single layer (a) and double-confined oxide layers (b)[7]

此外，苯并環(huán)丁烯由于其低介電常數(shù)、高熱導(dǎo)率、低介電損耗等特性，近年來常被用于代替高介電常數(shù)的聚酰亞胺來減小電極間的寄生電容，已逐漸成為一種應(yīng)用于光通訊領(lǐng)域的新的高性能電子材料。2013年，Shi等將苯并環(huán)丁烯和Zn擴散技術(shù)相結(jié)合，有效地降低了寄生電容，將單模VCSEL的-3 dB帶寬提高12 GHz[18]。2016年，Liu等采用多層氧化限制層設(shè)計來增強VCSEL的頻率響應(yīng)、降低器件電容，從而進(jìn)一步降低寄生參數(shù)RC。在不需要經(jīng)過后期加工對光子壽命進(jìn)行失諧(即蓋層厚度降低了p-DBR的反射率，從而降低光子壽命)的情況下，即將-3 dB的調(diào)制帶寬提高到28.2 GHz[19]。同年，Chalmers University of Technology的Haglund等通過將多層氧化限制層和BCB平坦化技術(shù)結(jié)合來降低電容，同時采用λ/2腔來提高縱向限制因子，該結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，該優(yōu)化結(jié)構(gòu)減少了載流子的傳輸時間，最終3.5 μm氧化孔徑的850 nm VCSEL在4.1 mA低偏置電流下實現(xiàn)了30 GHz高調(diào)制響應(yīng)帶寬[20]。

圖3 VCSEL腔內(nèi)的折射率分布和模擬光場強度[20]Fig.3 Refractive index distribution and simulated light field intensity in the VCSEL cavity[20]

綜上可知，通過采用雙氧化限制層、BCB平坦化技術(shù)、Zn擴散技術(shù)等方法都可有效降低VCSEL寄生參數(shù)、提高寄生截止頻率，是提高VCSEL高速調(diào)制性能的有效方法。

3.3 自熱效應(yīng)對VCSEL高速性能的影響

激光器在持續(xù)工作過程中，會不可避免地產(chǎn)生大量的熱量。由于VCSEL自身的異質(zhì)結(jié)勢壘結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致串聯(lián)電阻較高，由注入電流引發(fā)的自熱效應(yīng)對調(diào)制速率的影響不可忽視，因此自熱效應(yīng)也是限制VCSEL帶寬的因素之一。通常在忽略寄生參數(shù)RC與阻尼對VCSEL調(diào)制帶寬影響的情況下，熱效應(yīng)誘導(dǎo)的最大調(diào)制帶寬可表示為[21]：

(3)

式中，f-3 dB,max是-3 dB下的最大調(diào)制帶寬，fr,max是由熱因素決定的最大弛豫振蕩頻率。為了減小VCSEL的自熱效應(yīng)，需要減小VCSEL微分電阻以降低器件產(chǎn)熱，并采用高熱導(dǎo)率材料來改善器件的熱分布。2009年，Westbergh等使用InGaAs代替GaAs材料來減少微分電阻、降低器件產(chǎn)熱，從而減少了VCSEL的自熱效應(yīng)。結(jié)果表明，在25 ℃室溫下采用GaAs QWs的fr,max為16.5 GHz，而InGaAs QWs的fr,max達(dá)到20 GHz，VCSEL最大調(diào)制帶寬明顯提高[15]。

4 VCSEL高速傳輸性能的研究進(jìn)展

VCSEL因其自身具有低閾值電流、可高頻調(diào)制、單縱模輸出、光束質(zhì)量好、易于二維集成等優(yōu)點，在半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域中占有非常重要的地位。而850和980 nm波段的器件始終代表著VCSEL半導(dǎo)體激光器研究的最高水平。近年來，為推動VCSEL在數(shù)據(jù)通信中的應(yīng)用，各國的研究者對VCSEL進(jìn)行了大量深入的研究，主要包括瑞典Chalmers University of Technology、美國UCSB、德國Technische Universit?t Berlin以及中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所、北京工業(yè)大學(xué)等，通過研究者們廣泛深入的研究，VCSEL的器件性能、實用性及產(chǎn)業(yè)化都得到了顯著提高，在高速傳輸和高速調(diào)制特性方面有了巨大的突破。

4.1 850 nm波段VCSEL的研究進(jìn)展

850 nm VCSEL的外延工藝成熟、成本較低，已成為短距離光互聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)光源。850 nm VCSEL通常采用無應(yīng)變的多量子阱作為有源區(qū)，而近年來850 nm VCSEL的有源區(qū)多采用具有高增益的應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，使其在高速調(diào)制方面的性能更加優(yōu)異，受到世界各個研究單位深入的研究。

1977年，垂直腔面發(fā)射激光器的概念由日本東京工業(yè)大學(xué)的伊賀教授首次提出，隨后該團隊于1979年在低溫-177 ℃下實現(xiàn)了脈沖激射。自此,國內(nèi)外對VCSEL開始了深入的研究[8]。

為了提高VCSEL的高速特性，2008年Westbergh等報道采用無應(yīng)變GaAs QWs結(jié)構(gòu)和6 μm大小的氧化孔徑，在25 ℃下達(dá)到30 Gbps的最高數(shù)據(jù)傳輸速率[15]。與非應(yīng)變的GaAs QWs相比，由于InGaAs QWs具有更高的微分增益，因此逐漸被用作當(dāng)代高速850 nm VCSEL的有源區(qū)的QWs[22, 23]。2009年瑞典Chalmers University of Technology研究人員利用具有應(yīng)變的InGaAs QWs和雙氧化限制層結(jié)構(gòu)，在25 ℃下實現(xiàn)了32 Gbps的無誤碼數(shù)據(jù)傳輸[24]。應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)與氧化限制技術(shù)的引入，使得850 nm VCSEL的研究發(fā)生了質(zhì)的飛越。

隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，對數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)提出了更高的要求。近年來，應(yīng)用于光互聯(lián)的850 nm VCSEL逐漸向高調(diào)制速率方向發(fā)展，表1列舉了近年來850 nm VCSEL的研究進(jìn)展。2010年，中國臺灣National Central University研究團隊研究了不同深度(1.2和0.6 μm)的Zn擴散對橫向模式的限制，圖4為兩種不同Zn擴散深度的VCSEL器件橫截面與頂部示意圖。研究發(fā)現(xiàn)，擴散深度的減小明顯減弱了空間燒孔效應(yīng)，提高了光子密度。當(dāng)擴散深度為0.6 μm、氧化孔徑為6 μm時，在9 mA注入電流下實現(xiàn)了大信號調(diào)制速率32 Gb/s[25]。同年，Westbergh等研制的直接調(diào)制的850 nm氧化限制型VCSEL在背對背(back-to-back)模式下，實現(xiàn)了40 Gb/s的無誤碼傳輸[26]。

圖4 兩種不同Zn擴散深度器件橫截面(a)和頂面(b)示意圖[25]Fig.4 Schematic of the cross-sectional views (a) and top-view (b) of the two devices with different Zn diffusion depth[25]

表1 2010～2019年高速850 nm VCSEL的發(fā)展Table 1 Development of high speed 850 nm VCSEL from the year of 2010 to 2019

為提高850 nm VCSEL的高速調(diào)制特性，研究人員通過優(yōu)化外延結(jié)構(gòu)及工藝，使得高速調(diào)制特性進(jìn)一步提升。2012年，Westbergh等通過在n-DBR中采用漸變結(jié)構(gòu)以及改善摻雜特性，從而獲得了較小的電阻和光吸收，有效提高了調(diào)制帶寬，最終氧化限制型850 nm VCSEL實現(xiàn)了28 GHz的高調(diào)制帶寬和44 Gb/s的高數(shù)據(jù)傳輸速率[27]。同年，IBM和Finisar聯(lián)合報道了基于直接調(diào)制850 nm VCSEL的光鏈路，其傳輸速率達(dá)到了55 Gb/s[28]。2013年，Westbergh等通過優(yōu)化刻蝕深度，使得光子壽命稍大于小信號調(diào)制帶寬時的壽命，實現(xiàn)了調(diào)制速率的大幅度提升。最終研制的850 nm氧化限制VCSEL在back-to-back模式下的室溫調(diào)制速率達(dá)到了57 Gb/s，實現(xiàn)了無誤碼傳輸，創(chuàng)下了當(dāng)時單管850 nm VCSEL的歷史新高，此研究使得短距離數(shù)據(jù)光互聯(lián)在高速傳輸方面邁出了重要的一步[29]。另外，2014年Tan等在850 nm VCSEL中實現(xiàn)了40 Gb/s無誤碼高傳輸速率[30]。2016年，University of Illinois Urbana-Champaign研究人員報道了一種新型高速850 nm氧化限制VCSEL，實現(xiàn)了50 Gbps的無誤碼數(shù)據(jù)傳輸和28.2 GHz的高調(diào)制帶寬[31]。同年，Shi等通過采用Zn擴散技術(shù)和表面氧化浮雕技術(shù)，使850 nm VCSEL在1 km OM4多模光纖中實現(xiàn)了24～29 GHz寬范圍的調(diào)制帶寬和54 Gb/s的無誤碼傳輸速率[32]。

隨著擴散技術(shù)的成熟，2017年Larsson等對850 nm VCSEL的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在上DBR中采用先進(jìn)的界面分級和調(diào)制摻雜，實現(xiàn)了47 Gbit/s的高調(diào)制速率850 nm VCSEL[33]。2018年中國臺灣National Taiwan University的Kao等在OM4多模光纖(MMF)中實現(xiàn)了單模850 nm VCSEL的64 Gbit/s高調(diào)制速率[34]。2019年Ledentsov等在有源區(qū)采用量子點結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)相比于量子阱結(jié)構(gòu)具有較高的微分增益和極高的溫度穩(wěn)定性，在高溫150 ℃時仍達(dá)到了25 Gbit/s的高調(diào)制速率，該量子點結(jié)構(gòu)的引入為VCSEL的研制提供了一種新的思路[35]。

綜上，近年來研究人員圍繞VCSEL的高速調(diào)制物理機制及影響其調(diào)制性能的因素，采用新結(jié)構(gòu)設(shè)計、BCB平坦化技術(shù)以及控制氧化孔徑等方法，使VCSEL的高速調(diào)制性能逐漸提升，推動了VCSEL在光通訊領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

4.2 980 nm波段VCSEL的研究進(jìn)展

980 nm VCSEL對于數(shù)據(jù)通信也發(fā)揮著重要的作用，尤其是對于波分復(fù)用和自由空間光通信[36]。與850 nm波長范圍相比，980 nm VCSEL在OM3和OM4 MMF中具有更高的溫度穩(wěn)定性、更低的色散和更低的傳輸損耗，表2列舉了近年來980 nm VCSEL的研究進(jìn)展。980 nm波段VCSEL的有源區(qū)常采用InGaAs/(Al)GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)或InAs/GaAs量子點結(jié)構(gòu)來獲得更大的微分增益和更低的透明載流子密度，有望實現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換效率、更低的閾值電流、更高的調(diào)制帶寬和更高的可靠性。

表2 2007～2019年高速980 nm VCSEL的發(fā)展Table 2 Development of high speed 980 nm VCSEL from the year of 2007 to 2019

2007年，美國UCSB大學(xué)的Chang等在980 nm VCSEL中采用多層氧化限制層和錐形氧化孔來降低寄生電容和光損耗，并在上DBR中優(yōu)化了p摻雜剖面來降低損耗和電阻，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化使其實現(xiàn)了35 Gbps無誤碼高數(shù)據(jù)傳輸速率[37]。接著，該團隊在不改變其靜態(tài)低損耗性能的前提下，繼續(xù)優(yōu)化錐形氧化孔，提供額外的模式約束，并采用BCB平坦化技術(shù)、減小電極尺寸等措施有效降低寄生電容。2009年，該團隊研制的980 nm VCSEL在室溫下實現(xiàn)了35 Gbps的無誤碼數(shù)據(jù)傳輸速率和大于20 GHz的調(diào)制帶寬[38]。2011年，德國TU Berlin大學(xué)Hofmann等通過采用λ/2腔長和調(diào)制摻雜的方法，使980 nm VCSEL在25 ℃下實現(xiàn)了高達(dá)44 Gbps的無差錯傳輸速率[39]。

目前，德國TU Berlin大學(xué)在980 nm VCSEL的研究中一直處于世界領(lǐng)先地位，其研制的980 nm VCSEL的調(diào)制性能、功耗等指標(biāo)均達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。2014年，TU Berlin大學(xué)研制的980 nm VCSEL在25 ℃實現(xiàn)了42 Gbit/s無誤碼傳輸速率和-3 dB小信號下24.7 GHz的調(diào)制帶寬[40]。2016年，該團隊又提出一個新的設(shè)計結(jié)構(gòu)，在上下DBR中加入調(diào)制摻雜電流擴展層，使器件串聯(lián)電阻減小，有效提高了高速調(diào)制性能，使得該980 nm VCSEL在高溫穩(wěn)定性、高傳輸速率方面創(chuàng)下了新記錄，在25 ℃下傳輸速率達(dá)到了50 Gbit/s，-3 dB小信號調(diào)制帶寬為26.6 GHz，在85 ℃高溫下也達(dá)到了46 Gbit/s無誤碼數(shù)據(jù)傳輸[41]。2017年，TU Berlin大學(xué)Rosales等報道了一種簡化的外延層設(shè)計，如圖5所示，該結(jié)構(gòu)具有較小的有源區(qū)，確保了光場模式和載流子的強約束，同時在λ/2光學(xué)腔中采用雙氧化限制層、1.5～2.5 μm的小氧化孔徑，增強了載流子與光子的橫向與縱向限制，提高了載流子與光子的利用效率，最終在室溫25 ℃下實現(xiàn)-3 dB小信號調(diào)制帶寬為30 GHz，在85 ℃高溫下實現(xiàn)25 GHz的高調(diào)制帶寬[42]。

圖5 980 nm VCSEL的截面SEM照片(a)，λ/2厚光腔周圍的雙氧化層沿外延生長方向的一維模擬電場強度和真實折射率剖面圖(b)[42]Fig.5 Cross-sectional SEM image of a fabricated 980 nm VCSEL(a), one-dimensional simulated electric-field intensity and real refractive index profile in the vertical direction around the double oxide-layers surrounding the λ/2 thick optical cavity(b)[42]

為了獲得更高的傳輸速率，2018年，TU Berlin大學(xué)的Haghighi等通過優(yōu)化DBR摻雜模式和采用不同厚度的雙氧化限制層結(jié)構(gòu)，研制出在氧化孔徑為3 μm時980 nm VCSEL的調(diào)制帶寬達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的35 GHz[43]。2019年，Hamad等提出了一種新型的超高速單模和多模垂直腔面發(fā)射激光器小信號調(diào)制響應(yīng)的綜合模型，在氧化孔徑為7 μm時實現(xiàn)了大于30 GHz的調(diào)制帶寬[44]。

5 結(jié) 語

與邊發(fā)射激光器相比，垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)具有眾多獨特的優(yōu)勢，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于光互聯(lián)、光存儲等眾多領(lǐng)域。近年來隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，對網(wǎng)絡(luò)傳輸速率與數(shù)據(jù)處理能力提出了更高的要求，使高速VCSEL逐漸成為高速光通訊與光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的主要光源之一。因此，深入研究高速VCSEL的物理機制及其高速性能的影響因素成為了國內(nèi)外關(guān)注的焦點。各種新型外延結(jié)構(gòu)和工藝制備技術(shù)的不斷優(yōu)化，使VCSEL的高速傳輸取得了突破性進(jìn)展，對數(shù)據(jù)中心的大容量光互連和超級計算機網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生巨大的影響。然而面對未來更高數(shù)據(jù)傳輸速率的需求，仍需進(jìn)一步優(yōu)化外延結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)來實現(xiàn)VCSEL更高的調(diào)制性能。

近年來，VCSEL在消費電子、5G通訊、無人機以及物聯(lián)網(wǎng)智能服務(wù)系統(tǒng)等方面也發(fā)揮著重要的作用。目前，VCSEL已成為我們?nèi)粘Ｉ钪懈鞣N傳感器應(yīng)用的基礎(chǔ)，受到學(xué)術(shù)界越來越多的關(guān)注，可預(yù)見VCSEL在未來數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)時代具有更大的應(yīng)用前景與競爭力。