用于量子傳感的窄線寬無磁垂直腔面發(fā)射激光器

張 星 ，張建偉，周寅利，薛洪波，寧永強，王立軍

（1. 中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所, 吉林 長春 130033；2. 長春中科長光時空光電技術(shù)有限公司, 吉林 長春 130102；3. 中國科學(xué)院 國家空間科學(xué)中心, 北京 100190）

1 引 言

垂直腔面發(fā)射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers, VCSEL）是一種以低功耗、高光束質(zhì)量、高直調(diào)帶寬為主要特點的新型半導(dǎo)體激光器[1-2]。由于功耗低，VCSEL 的工作溫度范圍很寬，比如：能在80 °C 以上的高溫環(huán)境中長期穩(wěn)定工作[3]；由于光束質(zhì)量高，VCSEL 對光束整形系統(tǒng)要求較低，因此易于制成緊湊的光學(xué)模組[4]。鑒于以上優(yōu)勢，從20 世紀(jì)90 年代中后期成功用于光通信領(lǐng)域開始，VCSEL 至今已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心和超級計算機內(nèi)部光互連[5]、智能手機和車載激光雷達(dá)等領(lǐng)域[6-7]，國內(nèi)外有較多研究報道[8-11]。

量子傳感被認(rèn)為是具有顛覆性意義的下一代計量手段[12]，量子磁探測技術(shù)由于具有高靈敏度和低功耗等特點，在高端裝備和科學(xué)研究等方面有重要的應(yīng)用前景[13]。例如在杭州建設(shè)的極弱磁場重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，就是基于量子磁探測技術(shù)對極弱磁場開展的研究。

量子磁探測傳感器，或稱為原子磁強計，其原理是借助激光與原子的相互作用實現(xiàn)對微弱磁場的高靈敏度檢測。原子磁強計中采用的光源以VCSEL 為主，主要是因為VCSEL 具備工作溫度范圍寬及高光束質(zhì)量這兩大優(yōu)勢，使用VCSEL作為光源，能與傳感器緊湊地進(jìn)行一體化封裝，大幅降低整機體積、成本和功耗。然而，原子磁強計對VCSEL 的性能要求十分苛刻，包括高溫工作（≥80 °C）、單模（SMSR＞30 dB）、窄線寬（＜100 MHz）以及無磁，這大大增加了VCSEL 芯片和模組的研發(fā)難度。

中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究（簡稱長春光機所）和長春中科長光時空光電技術(shù)有限公司從2010 年起，圍繞芯片級原子鐘應(yīng)用，在VCSEL 的高溫低閾值工作、波長控制、模式穩(wěn)定以及VCSEL 在芯片原子鐘系統(tǒng)中的實際應(yīng)用等方面報道了一系列研究成果[14]。在此期間，北京工業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所、長春理工大學(xué)等多個團(tuán)隊從2016 年開始也陸續(xù)發(fā)表了相關(guān)研究成果[3]。然而，在原子磁強計等高端量子傳感器需要的窄線寬無磁VCSEL 研究方面，國外只有美國Sandia 國家實驗室和德國ULM 大學(xué)報道了相關(guān)研究，國內(nèi)目前只報道了理論研究結(jié)果[15]，尚無實際器件方面的報道。

本文介紹了本課題組在高溫、窄線寬、無磁VCSEL 方面的最新研究成果。首先設(shè)計并生長了適合集成微透鏡的VCSEL 外延結(jié)構(gòu)，隨后完成了器件制備和微透鏡集成，最后對其輸出特性，特別是線寬特性和無磁特性進(jìn)行了測試，并對結(jié)果進(jìn)行了討論。

2 外延結(jié)構(gòu)設(shè)計與生長

圖1（彩圖見期刊電子版）為本文研制的VCSEL 外延和器件結(jié)構(gòu)示意圖。該器件對應(yīng)的外延材料由長春光機所發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點實驗室的AIXTRON 200/4 金屬有機物氣相沉積（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD）設(shè)備（研發(fā)型）生長而成，外延片直徑為2 inch（1 inch=0.025 4 m），滿足研發(fā)階段的需要。根據(jù)器件高溫工作和窄線寬的要求，有源區(qū)采用了高增益-腔模失配設(shè)計[16]，通過采用大于20 nm 的高增益-腔模失配量，使VCSEL 能在80 °C 以上的高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定的低功耗工作狀態(tài)。

該VCSEL 的外延結(jié)構(gòu)中：N 型分布布拉格反射鏡（N-doped Distributed Bragg Reflector, NDBR）采用34.5 對AlAs/GaAs 材料，之所以采用二元組分主要是考慮提高熱導(dǎo)率，降低熱阻，以利于高溫工作；P 型分布布拉格反射鏡（P-doped Distributed Bragg Reflector, P-DBR）采 用20 對Al0.12Ga0.88Al/Al0.9Ga0.1As 材料，較少的P-DBR 對數(shù)有助于提高輸出功率。為了克服高溫環(huán)境下功率衰減過大的問題，器件的有源區(qū)采用5 組In0.06Ga0.94As 量子阱，對應(yīng)的室溫增益峰值波長為870 nm，與腔模形成20 nm 以上的失配量，確保器件在高溫下具有較低的閾值電流。氧化層采用35 nm 厚的Al0.98Ga0.02As，具體位置在有源區(qū)和P-DBR 之間。

需要特別指出的是，該結(jié)構(gòu)的蓋層（cladding layer）厚度設(shè)計為500 nm，一方面是考慮到微透鏡刻蝕深度問題，另外，該設(shè)計可以使微透鏡刻蝕主要在GaAs 層中進(jìn)行，避免刻蝕GaAs/AlGaAs交替結(jié)構(gòu)帶來的速率不穩(wěn)定和刻蝕形貌不易控制的問題。

3 器件制備

3.1 制備工藝

完成MOCVD 外延材料生長后，VCSEL 的制備是在長春光機所發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點實驗室的半導(dǎo)體激光芯片工藝平臺完成的，主要采用了本課題組在長期科研和器件工程化實踐中形成的標(biāo)準(zhǔn)VCSEL 制備工藝。具體步驟如下：首先采用光刻+磁控濺射的方法在外延片表面制備環(huán)形金屬圖形，作為P 面電極；之后采用德國SENTECH SI500 型電感耦合等離子體干法刻蝕設(shè)備刻蝕出直徑為30 μm 的臺面（mesa）結(jié)構(gòu)，暴露出Al0.98Ga0.02As 層；采用法國AET 公司的ALOX型在線監(jiān)控氧化設(shè)備制作氧化孔徑，該設(shè)備在10.16 cm 范圍內(nèi)的氧化精度可達(dá)到±1 μm；之后經(jīng)過SiNx薄膜生長、P-pad 制備等工藝后，將晶圓整體減薄拋光到100 μm，并制作N 面電極。

為了滿足無磁要求，上述N 面電極使用的金屬材料不能含有磁性材料，對此，參考文獻(xiàn)[17]的方法，采用了非常規(guī)的50 nm Cr/350 nm Au N 面電極，并對其退火工藝進(jìn)行了調(diào)整，在實現(xiàn)器件的無磁性能前提下，確保其電阻無明顯升高。

完成上述工藝后，晶圓被解理為單顆VCSEL 芯片，為了便于進(jìn)行各項常規(guī)性能測試，將芯片焊接到帶有溫控器和熱敏電阻的TO46 管殼上。完成常規(guī)封裝的VCSEL 如圖2 所示。

圖2 封裝后的VCSELFig. 2 The packaged VCSEL

3.2 集成微透鏡刻蝕

本研究中VCSEL 制備工藝與標(biāo)準(zhǔn)工藝的主要區(qū)別在于前者需要制備集成微透鏡結(jié)構(gòu)。本課題組在前期研究中開發(fā)出一種成本低廉、工藝穩(wěn)定的濕法刻蝕工藝，用于在低發(fā)射VCSEL 的襯底表面制作微透鏡陣列[18]。其主要原理是利用特定比例的氫溴酸腐蝕液在VCSEL 窗口表面和四周的刻蝕速率不同，通過精密控制實驗條件實現(xiàn)不同尺寸微透鏡的制備。

微透鏡制備工序安排在P 面電極制備完成后，具體流程如圖3（彩圖見期刊電子版）所示。微透鏡刻蝕采用的腐蝕液是H2O2∶HBr∶CH3OH∶H2O=1∶1∶1∶10，在圖3 所示掩模露出部分制作微透鏡。該腐蝕液中H2O2的作用是將HBr 中的Br+還原為Br2，CH3OH 的加入主要是減小液體表面張力，使反應(yīng)產(chǎn)生的氣體不附著在刻蝕窗口表面，使微透鏡表面更加光滑。為了控制反應(yīng)速度，采用了低溫刻蝕的方法，在冰水混合物的低溫環(huán)境中進(jìn)行刻蝕，最終成功制備出具有特定曲率半徑的微透鏡，微透鏡表面形貌的原子力顯微鏡（AFM）測試結(jié)果如圖4 所示。其中圖4（a）～4（d）分別表示直徑為9 μm、11 μm、13 μm、15 μm 刻蝕窗口經(jīng)過相同刻蝕時間形成的微透鏡，根據(jù)該測試結(jié)果可計算出微透鏡的曲率半徑和焦距。

圖3 濕法刻蝕微透鏡的工藝流程Fig. 3 Fabrication steps of micro-lens wet etching

圖4 微透鏡表面形貌AFM 測試結(jié)果Fig. 4 Surface morphology of the micro-lens by AFM

最終實現(xiàn)了圖1 所示的集成微透鏡VCSEL激光器。

4 實驗結(jié)果與討論

在前一小節(jié)中，成功制備出集成微透鏡的VCSEL 器件，接下來，將對該器件的輸出特性進(jìn)行研究，并對結(jié)果進(jìn)行討論。

4.1 輸出特性

測試了集成微透鏡的VCSEL 器件在室溫和高溫環(huán)境下的電流-功率特性，以評估該器件的高溫工作適應(yīng)性，測試中采用了美國THORLABS公司的LDC201CU 型電流控制器（電流分辨率為0.05 mA）、自行開發(fā)的溫度控制器（溫控精度為0.1 °C）以及THORLABS 公司的PM100D 型功率計和S130C 型功率探頭。

圖5 所示為室溫（25 °C）下測試得到的VCSEL功率-電流-電壓曲線。從圖中可見，室溫下VCSEL 在5 mA 驅(qū)動電流下的輸出功率為2.559 mW，此時對應(yīng)的電壓為2.79 V，電-光轉(zhuǎn)換效率為18.3%。由于本研究中的VCSEL 的目標(biāo)工作溫度是80 °C 以上的高溫環(huán)境，因此對器件在溫度升高后的輸出特性變化情況進(jìn)行研究是十分必要的。圖6（彩圖見期刊電子版）給出了VCSEL 在20～90 °C 內(nèi)的功率-電流曲線變化情況。從圖6可見，器件的閾值電流呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，對比4 mA 下的輸出功率，20 °C 為1.84 mW，90 °C為1.52 mW，高溫下相對室溫的激光功率僅衰減了22.8%。說明該器件采用的腔模-增益失配和多組高增益量子阱有效緩解了其在高溫下的性能劣化。

圖5 25 °C 下測試得到的功率-電流-電壓曲線Fig. 5 P-I-V characteristics at room temperature (25 °C)

圖6 20～90 °C 下測試得到的功率-電流曲線Fig. 6 P-I characteristics under 20～90 °C

確定VCSEL 是否為單模工作需要對其輸出光譜的邊模抑制比（Side Mode Suppression Ratio,SMSR）進(jìn)行測試。圖7 給出了在4 mA 驅(qū)動電流、90 °C 下VCSEL 輸出光譜的測試結(jié)果，在該條件下激光中心波長為896.3 nm，SMSR＞為36.3 dB，激光器能夠保持較好的單模工作狀態(tài)。

圖7 VCSEL 的輸出光譜測試結(jié)果Fig. 7 Measured output spectrum of the VCSEL

采用THORLABS 公司的掃描式法布里-珀羅干涉儀對本研究中VCSEL 的激光頻率線寬進(jìn)行測試，具體測試方法見索雷博公司網(wǎng)站。該干涉儀的精細(xì)度大于200，自由頻譜區(qū)帶寬為1.5 GHz，對應(yīng)的線寬測試分辨率為7.5 MHz，可以滿足VCSEL 這類頻率線寬相對較寬的半導(dǎo)體激光器的檢測需要。

在實際測試中，VCSEL 發(fā)射的激光經(jīng)過準(zhǔn)直后射入干涉儀，形成的干涉峰顯示在示波器上，兩個干涉峰之間的距離為其自由頻譜區(qū)帶寬1.5 GHz，根據(jù)干涉峰的半高全寬與自由頻譜區(qū)的比值即可推算出VCSEL 發(fā)射的激光線寬。圖8為VCSEL 激光線寬的測試結(jié)果，經(jīng)換算可得出其線寬為38 MHz。

圖8 VCSEL 線寬測試結(jié)果Fig. 8 Measured frequency line width of the VCSEL

4.2 磁性測試

為了滿足原子磁強計的應(yīng)用要求，使用上述VCSEL 芯片制成了無磁封裝VCSEL 光源模組，封裝后的模組如圖9 所示，并采用中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心空間天氣學(xué)國家重點實驗室的QUSPIN QZFM 型磁強計對該光源模組的剩磁進(jìn)行測試，測試是在磁屏蔽筒零磁環(huán)境中進(jìn)行的，被測樣品距離磁強計探頭距離約1 cm。測試結(jié)果如圖10 所示，可見該模組產(chǎn)生的磁場強度低于0.03 nT (峰-峰值)，能夠滿足實際應(yīng)用要求。

圖9 無磁封裝VCSEL 光源模組Fig. 9 Packaged VCSEL magnetism-free module

圖10 VCSEL 模組剩磁測試結(jié)果Fig. 10 Testing results of the remaining magnetic field intensity of VCSEL

5 結(jié) 論

本文面向量子傳感對VCSEL 高溫工作、窄線寬、無磁等應(yīng)用要求，從芯片結(jié)構(gòu)著手，研制出帶有集成微透鏡結(jié)構(gòu)的VCSEL，測試結(jié)果表明該芯片能夠在90 °C 高溫環(huán)境下實現(xiàn)穩(wěn)定單模工作（SMSR=36.3 dB），對應(yīng)的激光輸出功率為1.52 mW，激光頻率線寬為38 MHz；采用上述VCSEL 芯片制成的光源模組磁場僅為0.03 nT。實驗結(jié)果證實 本文成功研制出滿足量子傳感要求的VCSEL。