半导体激光技术已经成为二十世纪发展最快.docx
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半导体激光技术已经成为二十世纪发展最快
半导体激光技术已经成为二十世纪发展最快、成果多、学科渗透广、应用范围大的综合性高新技术。
半导体激光器体积小、重量轻、效率高、寿命长，广泛用于光纤通信、光纤激光器、空间通信、激光显示、激光测距、激光引信、激光照明、跟踪、制导、目标识别、对抗和致盲等领域。
半导体激光器可以分为边发射和面发射两种。
其中，边发射半导体激光器目前已发展的比较成熟，然而，由于其光束是椭圆形的，在相互垂直的两个轴上发散角相差比较大，光束质量比较差，因此，在使用时需使用复杂昂贵的光束整形系统；另外，也不容易实现二维列阵集成。
垂直腔面发射激光器（VCSEL）是一种垂直表面出光的新型激光器。
与传统边发射激光器不同的结构带来了许多优势：
小的发散角和圆形对称的远、近场分布使其与光纤的耦合效率大大提高，而不需要复杂昂贵的光束整形系统,现已证实与多模光纤的耦合效率竟能大于90％；光腔长度极短，导致其纵模间距拉大，可在较宽的温度范围内实现单纵模工作，动态调制频率高；腔体积减小使得其自发辐射因子较普通端面发射激光器高几个数量级，这导致许多物理特性大为改善；可以在片测试，极大地降低了开发成本；出光方向垂直衬底，可以很容易地实现高密度二维面阵的集成，实现更高功率输出，并且因为在垂直于衬底的方向上可并行排列着多个激光器，所以非常适合应用在并行光传输以及并行光互连等领域，它以空前的速度成功地应用于单通道和并行光互联，以它很高的性能价格比，在宽带以太网、高速数据通信网中得到了大量的应用；最吸引人的是它的制造工艺与发光二极管（LED）兼容，大规模制造的成本很低。
国内外技术、应用现状、应用领域
由于大功率垂直腔面发射激光器研究涉及到材料结构设计、高质量外延材料生长、工艺等诸多关键技术，目前国外的研究主要集中在德国、美国、英国等。
德国Ulm大学采用大直径（320微米）器件实现单管连续890mW，19个直径80微米器件列阵实现连续1.4W（相当于功率密度1kW/cm2）和纳秒窄脉冲10W的光输出。
美国加州大学采用1000个直径45微米的列阵实现脉冲5W输出。
美国Novalux公司2003年利用连续1W输出的980nm垂直腔面发射激光器通过腔内倍频获得了42mW的蓝光高功率输出。
美国Sandia国家实验室光泵浦垂直腔单管器件，实现980nm波长输出，脉冲功率达到4.4W。
中国科学院光电研究院已经在国际上首次研制出大直径高功率垂直腔面发射半导体激光器，处于国际领先水平。
由于半导体激光器体积小、重量轻、效率高、寿命长、功耗低，而垂直腔面发射激光器又具有很好的光束质量，可以广泛应用于光纤通信、光纤激光器、空间通信、激光显示、激光测距、激光引信、激光照明、跟踪等领域。
例如，
光纤激光器具有体积小、能耗低、寿命长、稳定性高、免维护、多波段等特征，它以优越的光束质量、稳定的性能、超高的光电转换效率，赢得了众多激光业内人士的肯定：
（1）光纤激光器将替代绝大部分低功率及高功率Nd:
YAG及CO2激光器；
（2）光纤激光器与其它类型激光器相比，它以其卓越的性能在所有主要的工业激光应用领域内都具有绝对压倒性优势；
（3）光纤激光开辟了许多传统激光望尘莫及的崭新应用领域；
（4）光纤激光器以其超高的可靠性，卓越的光束质量，低廉的运行成本，为激光加工行业建立了新的标准；
（5）光纤激光器以其低廉合理的生产成本，将在短期内替代大部分传统的灯泵浦、二极管泵浦Nd:
YAG激光系统，并在激光切割及焊接领域中替代70%左右的轴流CO2激光系统。
光纤激光不久将会成为激光市场的主流产品。
在光纤通信方面，目前VCSEL市场空前发展，并在北美替代高价位的LD用于千兆、万兆以太数据通信网的建设，导致了高速VCSEL收发模块需求爆炸性地增长。
虽然目前通信市场萎缩，但据美国E1ectroniCast公司最近预测，全球用于光通信的VCSEL激光收发机的需求量在未来5年内仍将以每年35％的速率递增，到2006年将达到20亿美元。
未来的中国将是最大的数据通信网市场，利用VCSEL／Pin阵列实现10Gbit／s乃至40Gbit／s的甚短距离（VSR）并行光互联及大容量交换设备和传输设备间高密度的背板连接，将会大大促进国内数据通信网和通信设备的发展。
VCSEL在其他方面也有不错的应用前景。
在光打印方面，激光打印机中的多边镜等光扫描技术的电子化是多年未能解决的课题，随着技术的发展，已逐步得到改善。
如果采用LED阵列，电能消耗是个瓶颈，而导入VCSEL阵列则可以解决这个问题。
采用数千个VCSEL构成的阵列形式的多光束将可能成为取代多边镜扫描的最好方式。
相比过去的单个激光管，VCSEL的阵列集成结构可以同时进行多行的扫描。
这可以大大提高激光打印机的扫描速度并相应延长其使用寿命。
在光显示方面，通常的显示器都是利用红、绿、蓝三元色发光管构成的，如果能够制成具有红、绿、蓝三元色的激光器，则可以应用在大型显示器的技术领域中。
目前，波长范围从蓝色覆盖到紫外波段的GaN系列激光器正处在研究阶段。
这个系列的VCSEL是解决未来图像显示的有力技术。
在照明方面，VCSEL的电光转换效率达到50％以上，远远高于目前的照明光源，如果它的波长能从紫外波段覆盖到可见光区，可以期待它在照明领域里面也能有着广泛的应用前景，实现白光照明。
例如，可调节光线强度的室内照明，笔记本电脑的背景灯，交通指示灯以及户外照明灯等许多方面。
另外在气体检测、高密度光存储方面也有希望得到应用。
垂直腔面发射激光器的研究进展及其应用
王莉陈弘达潘钟黄永箴吴荣汉
（中国科学院半导体研究所北京100083）
摘要垂直腔面发射激光器VCSEL具有常规半导体激光器不可比拟的优点其光束是园
形的易于实现与光纤的高效耦合VCSEL的有源区尺寸可做得非常小以获得高封装密度和
低
阈值电流适宜的设计可将激光二极管制成简单的单片集成二维列阵以实现二维光数据处
理所
用的激光源芯片生长后无须解理封装即可进行在片实验由于VCSEL的优良性能从而获得
了国内外科技界企业界的高度关注本文对这种器件的性能开发现状及应用作简要的概述
关键词垂直腔面发射激光器光纤通信光网络光互连
1引言
近年来由于人们对于超长距离超高速千兆比特/秒（Gbit/s）及至兆兆比特/秒（Tbit/s）光
纤网络的需求对于高性能低成本光互联网的需求以及对于光学存贮密度的不断提高的要
求
使一种极其优秀的异型半导体激光器垂直腔面发射激光器（VCSEL）应运而生1979年东京
工
业大学的Iga提出了垂直腔面发射激光器的思想并于1988年研制出首枚VCSEL器件自诞
生
之日起其优异的性能就获得了人们的青睐科学家们以极大的热情投身到它的研究和开发
中去
使其蓬勃发展短短的十几年来其波长材料结构应用领域都得到迅猛发展部份产品进
入市场据美国CousultancyElectroniCast公司最近预测[1]仅就用于全球消费的VCSE
L基光
收发机而言2003年VCSEL将达到11.43亿美元2008年将达到近60亿美元
2垂直腔面发射激光器性能及结构
2.1垂直腔面发射激光器的特性
垂直腔面发射激光器（Vertical-CavitySurface-EmittingLaser简称VCSEL）及其阵列
是
一种新型半导体激光器它是光子学器件在集成化方面的重大突破VCSEL与常规的侧向出
光的
端面发射激光器在结构上有着很大的不同端面发射激光器的出射光垂直于芯片的解理平
面（见图
1）[2]与此相反VCSEL的发光束垂直于芯片表面（见图2）这种光腔取向的不同导致VCSE
L的性
能大大优于常规的端面发射激光器
图1端面发射的常规半导体激光器图2垂直腔面发射激光器
这种性能独特的VCSEL易于实现二维平面列阵,而端面发射激光器由于是侧面出光而难以
实
现二维列阵小发散角和园形对称的远近场分布使其与光纤的耦合效率大大提高现已证实
与多模光纤的耦合效率大于90%而端面发射激光器由于发散角大且光束的空间分布是非
对称的128飞通光电子技术2001年9月
因此很难提高其耦合效率由于VCSEL的光腔长度极短导致纵模间距拉大可在较宽的
温度范围内得到单纵模工作动态调制频率高腔体积减小使得其自发辐射因子较普通端面
发射
激光器高几个数量级这导致许多物理特性大为改善如能实现极低阈值甚至无阈值激射可
大
大降低器件功耗和热能耗由于从表面出光无须像常规端面发射激光器那样必须在外延片
解理封
装后才能测试它可以实现在片测试这导致工艺简化大大降低制作成本此外其工艺
与平面硅工艺兼容便于与电子器件实现光电子集成
2.2VCSEL的基本结构
典型的VCSEL结构示于图3[2]通常仅约20nm厚的三量
子阱发光区夹在称之为Bragg反射器的两组高反射率平面镜
之间顶部和底部的Bragg反射器由交替生长的不同X和Y
组分的半导体薄层组成相邻层之间的折射率差使每组叠层
的Bragg波长附近的反射率达到极高（99%）的水平Bragg
反射镜中的每层厚度为出射光工作波长的四分之一需要制
作的高反射率镜的对数根据每对层的折射率而定激光器的
偏置电流流过所有镜面组它们被高掺杂以便减小串联电阻
有源区由提供光增益的量子阱结构构成典型的量子阱数为
14个量子阱被置于谐振腔内驻波图形的最大处附近以
便获得最大的受激辐射效率
3VCSEL的发展水平
3.10.85m及0.98m波段VCSEL
0.85mGaAs/AlGaAs及0.98mInGaAs/GaAs系列的VCSEL已趋于成熟[1]当GaAs/AlG
aAs
量子阱VCSEL的腔面积做到22m2时其阈值电流低达90A频率响应40GHz工作效率
达47%在误码率（BER）<10-12时其传输速率高达到10Gb/s最近Lucent公司采用0.85m
VCSEL
与新型多模光纤耦合实现了超过1.6km10Gb/s的传输实验0.85mVCSEL目前已实现了
商用
化Honeywell公司典型的SV3639器件性能如下
波长850nm
模式单纵模和单横模
驱动电压1.8V驱动电流17mA
阈值电流100A输出功率0.51mW（在1mA驱动电流下）
上升/下降时间200ps斜率效率0.3mW/mA
相对强度噪声-130dB/Hz
在集成面阵方面据最新报道:
Honeywell公司研制的10834VCSEL集成面阵成品率高达
94%
3.21.3m和1.55mVCSEL
1.3m和1.55mVCSEL除具有上述VCSEL的各种特点外还具有处于光纤的低色散和低衰
减窗口的特点它可作为低成本高性能激光光源在光纤通信网络高速数据传输并行光互
连等方面具有广泛的应用前景特别是在中长距离高速传输方面具有0.85m及0.98mVC
SEL
无法比拟的优点将来的光纤到户和光纤到路边等的实施必将给1.3m和1.55mVCSEL提
供
广阔市场
1.3mVCSEL是极具潜力的器件Honeywell的Ashton相信如果驱动电流低于1mA速率高
于1GHz的1.3mVCSEL的价格具有很大竞争力的话会淘汰0.85mVCSEL[1]
目前InP基1.3μm和1.55μmVCSEL的研究取得了一定的进展[1,2,5]但是由于InP系
弱电
子限制,导致载流子泄漏此外由于这种材料系统的大的非辐射复合以及电流限制结构及高
反
图3VCSEL结构示意图
第1卷第3期飞通光电子技术129
射率Bragg反射镜（DBR）制备十分困难等原因[1,3]使InP基的InGaAsPVCSEL研究进展
缓慢
最近对开拓1.3m带隙新材料的愿望科学家们采用了传统合金材料--镓铟氮砷（GaInNAs
）
来制作VCSELGaAs基的GaInNAs是一种极有前途的长波长通信用新材料[4,5]GaInNAs
/GaAs有
着非常好的电子限制导带差大于300meV因此特征温度T0可望有显著的提高（超过150K）
当In原子引入GaAs形成GaInAs合金时晶格常数将增大禁带宽度将减小而当N原子引入
GaAs形成GaNAs合金时晶格常数将减小禁带宽度将减小因此调整GaInNAs中In与N的
含量可以得到与GaAs晶格匹配的直接带隙材料或应变量子阱材料而其波长范围可从1.0
m
覆盖到2.0m不言而喻GaInNAs材料是一种潜在的极有发展前景的VCSEL材料极有可能
取代InP系材料未来的新器件将用于长波长高速宽带光通信
美国Sandia国家实验室的科学家们用MBE和MOCVD技术制作GaInNAs/GaAsVCSEL[4]并
取
得突破性进展他们已研制出该材料的端面发射激光器,并有望于今年年底研制出VCSEL
德国
Würzburg大学的MReinhardt等人[6]报道了第一支GaAs基1.3μm单纵模分布反馈激
光器有源
层为InGaNAs的双量子阱结构其阈值电流密度低于1kA/cm2Sandia国家试验室的Meanw
hile
等人声称在GaAs上生长出了第一支该材料的电泵浦1.3μmVCSEL,其输出功率为60μW
在高达
55C时仍可CW工作阈值电流在1.510mA之间
一种在GaAs上生长的GaAsSbN材料有可能担当制作更长波长VCSEL的重任法国France
TelecomR&D的GiovanniUngaro等人对该材料进行了详细的组分和发光特性的研究实
现了
1.3μm电致发光
此外一种含铊Tl的TlInGaAs/InP材料的带隙跨度为0.750.1eV,即波长范围为1.65
12μmOsaka大学的H.Asahi等人通过试验证实该种材料具有优良的波长温度稳定性随
着Tl
含量的增加波长随温度的变化率下降当Tl含量为13%时温度变化率为0.03meV/K即是0.
04nm/K,
而相应的InGaAsP/InP却为0.1nm/K因此它在波分复用中有重要的潜在意义然而研究此
种材料的最大障碍是它的剧毒性
3.3多波长VCSEL列阵[2]
可调谐VCSEL阵列在局域网长距离超大容量信息传输方面的应用蕴藏着巨大的潜力它可
提供更多的自由度波长使密集波分复用（DWDM）成为可能极大地提高系统的容量和传输速
率
密集波分复用系统的关键器件之一就是多波长激光器阵列
采用过生长（overgrowth）波长调节技术比其它生长技术更有吸引力过生长技术之一的多
步
刻蚀法是采用将GaAs层阳极氧化然后移走氧化层的方法J.H.Shin和B.S.Yoo使用该法
制
作了从0.8550.862m波段的非常窄的等间隔波长的八信道多波长VCSEL列阵其平均波
长间
隔为0.94nm由于采用SiNx调节层代替GaAs调节日层的多步刻蚀法产生了上述信道SiN
x的
折射率几乎是GaAs的一半因此对于相同目标的波长间隔其控制厚度的能力几乎是GaAs
的两
倍此外SiNx刻蚀方案可应用到任意波长系统如1.55m光谱范围和可见光波长范围这一
结果说明以大容量DWDM应用为目的用过生长波长调谐技术精确分割VCSEL列阵波长是可
行的
3.4VCSEL列阵
用于激光照排激光雷达光通信和泵浦固态及光纤激光器的大功率列阵所需的功率密度和
亮度的实用化VCSEL系统尚未得到证实为了充分挖掘VCSEL列阵的潜力有效办法是需提
高它
们的峰值功率密度并将制作成本降至低于端面发射激光器列阵的水平[2]迄今为止所实
现的
最高功率密度是MGrabherr等人制作的由23个单元组成的列阵脉冲功率为300W/cm2和
美
国伯克利加利弗尼亚大学DFrancis等人制作的由1000个单元组成的列阵CW输出功率
为2W
脉冲输出功率为5W美国LawrenceLivermove国立研究所H.L.Chen等人还是制出了1cm
1cm
单片二维VCSEL列阵由于采用了微透镜列阵来校准发自整个激光器列阵的光束而使该列
阵亮度
130飞通光电子技术2001年9月
增长了150倍采用F2透镜使整束光束聚焦成直径为400m的光斑此外将VCSEL光束的7
5%
耦合进1mm直径的光纤芯这些结果表明将大面积VCSEL列阵焊接在热沉上是可行的即使
平行
放置的列阵的元件大于1000只但整个列阵散热不会存在问题
美国新墨西哥州大学A.C.Alduino等人引入了一种新型类平面制作技术将多波长VCSEL
与
谐振腔增强型光电探测器（RCEPD）单片集成在制作技术中用大量不连续的新月形氧化物面
的
方法形成不同尺寸范围的电流窗口（4m在保持其二维性的同时还改善了器件尺寸其结
果是VCSEL具有与腐蚀台面器件可比拟的电学和光学特性用该技术制作的高速RCEPD上
升时间
约为65ps
3.5可见光VCSEL
由于对于大容量光存贮的要求日益迫切可见光VCSEL变得越来越重要了同时红光VCSEL
便于与塑料光纤低损耗耦合
美国罗德岛Brown大学工程部和物理系的Y.K.Song等人[7]研制了准连续波光泵浦的紫
色
VCSEL它由InGaN多量子阱有源区和高反射率介质镜对组成直至258K温度下仍能实现高
重复
频率（76MHz）脉冲光泵条件下激射平均泵浦功率约30mW,激射波长为0.403m阈值以上的
光
谱半宽小于0.1nm
3.6硅上VCSEL[2]
在硅（Si）上制作的VCSEL还未实现室温连续波工作这是由于将AlAs/GaAs分布Bragg反
射
器（DBR）直接生长在Si上形成在界面处结构粗糙从而导致了DBR较低的反射率日本Toyo
hashi
大学T.Tsuji等人由于在GaAs/Si异质界面处引入多层（GaAs）m（GaP）n应变短周期超晶
格（SSPS）
结构而降低了GaAs-on-Si异质结处延层的螺位错其螺位错密度从109cm-2降至107cm
-2
3.7-族铅盐VCSEL[2]
鉴于铅盐（-族）的能带结构长期以来铅盐（-族）激光器占据了330m波长范围
中远红外激光器的主导地位具有相干波长可调谐性的这类激光器非常适合于痕量气体分
析和
大气污染监测中的高分辨率红外显微镜应用
虽然这类激光器通常生长在铅盐衬底上但业已证实BaF2对于铅盐异质结构而言是一种极
好
的衬底材料替代物奥地利Linz大学GSpringholtz等人探讨了在46m光谱范围内实现
VCSEL的可能性其核心技术是利用MBE制作铅盐基中远红外Bragg反射器结构他们关注
着
各种组份的Pb1-xEuxTe以实现与作为有源材料的PbTe相兼容的Bragg反射器这些多层
结构被淀
积在解理后的BaF2（111）衬底上具有46m高反射频带的反射器当其具有32对/4反射镜
对
时反射率高达99%该种微腔PbTe/Pb1-xEuxTe结构的剖面SEM照片证实了其具有良好的
界面平整
性层厚控制和重复率在该项工作中得到的结果使我们看到了-族中远红外VCSEL的制
作和应用的希望值得一提的是,氧化物限制[1]和衬底选择[2]工艺对实现高质量VCSEL具
有举足轻
重的作用氧化物限制的重大意义正如Honeywell的负责人Ashton所说在一系列商品化制
造
中最重要的步骤之一是开发氧化物VCSEL这种化学淀积工艺可以较好地控制发射区范围
和芯片
尺寸并具有极大地提高效率和使光束稳定地耦合进单模和多模光纤的能力正因采用了这
一
步骤Honeywell的最新氧化物限制方案器件有望将阈值电流降到几百A
VCSEL在动力学运行中的偏振稳定性是实现低噪声高速光数据链路和光互连所必须的由
于VCSEL结构完全不具备偏振选择性因此实现偏振稳定性的主要办法是在光学增益和光
损耗中
引入各向异性一种有效的方法是采用（n11）向衬底因为这会使有源区内引入有效的偏振选
择
机制日本NTTHUenohara等人对比了生长在（311）B和（100）衬底上的0.85mGaAs基V
CSEL
的偏振稳定性的差异将生长在（311）B衬底上的VCSEL的两种相互正交的偏振模式的功率
比定义
为正交偏振抑制比其值远大于生长在（100）衬底上的器件的比值这种差异被认为是由于（
311）B第1卷第3期飞通光电子技术131
表面的多量子阱的各向异性光增益引起的偏振控制所致
4VCSEL的应用
4.1作为千兆比特光纤通信的光源[1]
由于千兆比特（Gbit/s）速率通信网的需求不断上升近期内铜线基局域网（LAN）将很快终
止铺设而由多模光纤制作的数据通信（datecom）链路取而代之早期这种系统依赖0.85m
或1.3m的发光二极管（LED）光源其在十至几百Mbit/s速率下工作显然不能胜任千兆比
特LAN的需求市售的最优秀的1.3mLED仅限于在最大光纤跨距500m范围内以约622Mb
it/s
的数据速率工作在更高速率下廉价的LED光源就显得躁声太大速率慢且效率低改变上述
状况的方法是以低噪声快速的激光器代替LED鉴于VCSEL性能比常规端面发射激光器优
异得
多因此作为光发射机的光源当仁不让地由VCSEL来承担
瑞典Mitel半导体光学营业部经理OlofSvenonius说我们走进VCSEL即是走进数据通
信产业的开始人们相信VCSEL和千兆比特网会代替规模巨大的LED和兆比特网这主要是
由于
VCSEL显示出优异的性能价格比
VCSEL主要用途之一是短距离大容量并行数据链路采用线性或二维VCSEL列阵与光纤
连接的方法如Infineon的并行数据系统（PAROLI）采用0.85m的VCSEL据推测在适当时
候
它们会象1.3m和1.55m激光器那样流行起来许多分析家预见VCSEL将成为光纤到家（
fiber
tohome）装置的合适光源Mitel正在开发用于网络装置内部和网络之间的VCSEL产品公
司负
责人Svenonius说前者将超过若干米并包括兆兆比特开关路由器和光横向连接器在内的
shelf-to-shelf和board-to-board互联网
1.55m波段调谐VCSEL对密集波分复用的应用来说是一种非常有趣而潜在的低成本办法
4.2用于光信号存贮的光源
可见光VCSEL和相同结构的探测器可用于光信号存贮系统以提高存贮密度常规光盘读出
系统采用端面发射激光器作光源还配以分立的外部光电探测器来监测发自光盘的反射光
美国
加利弗尼亚大学J.A.Hudgings等人演示了一种采用带有内腔量子阱吸收器的VCSEL的新
型集成
光盘读出头[2]由VCSEL发出的CW光束恰好
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