你知道嗎?作為支撐騰訊、阿里巴巴、Google等大型數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵光電子器件之一的垂直腔面發(fā)射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser，VCSEL)，在1979年就被第一次展示了。

　　VCSEL的概念最早由日本東京工業(yè)大學(xué)Iga教授于1977年提出，是為了解決邊發(fā)射激光器(edge-emitting laser，EEL)的研究中，人們遇到的制作、測(cè)試、以及模式和波長(zhǎng)控制等問(wèn)題。

　　VCSEL通常由上/下布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector，簡(jiǎn)稱(chēng)DBR)、有源區(qū)、氧化孔徑、上/下電極構(gòu)成，光束沿著垂直于襯底方向出射(圖1)。與EEL采用天然解理面作為激光腔鏡不同，VCSEL采用DBR作為激光腔的腔鏡，可以在解理成芯片之前在片測(cè)試，以及二維陣列集成。VCSEL的橫向結(jié)構(gòu)形狀通常為圓形，輸出的光束圓形對(duì)稱(chēng)，能夠和光纖高效耦合。此外，VCSEL腔長(zhǎng)為一個(gè)波長(zhǎng)量級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)高調(diào)制帶寬、單縱模以及低功耗工作。

　　圖1 VCSEL和EEL的結(jié)構(gòu)示意圖

　　過(guò)去40多年，VCSEL在器件物理、材料生長(zhǎng)、器件制作和表征、器件集成和應(yīng)用等方面取得了顯著進(jìn)展。如今，VCSEL已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)通訊、三維傳感、激光打印、激光顯示、激光照明、汽車(chē)電子、激光加工、消費(fèi)電子、原子傳感、激光雷達(dá)等領(lǐng)域(圖2)。蘋(píng)果、華為等手機(jī)廠商將VCSEL導(dǎo)入智能手機(jī)等消費(fèi)電子，引燃了VCSEL研究和投資的新一輪熱潮。

　　圖2 VCSEL的應(yīng)用

　　VCSEL主要有三種電流限制結(jié)構(gòu)：質(zhì)子注入結(jié)構(gòu)、隧道結(jié)結(jié)構(gòu)和氧化限制結(jié)構(gòu)。質(zhì)子注入VCSEL在20世紀(jì)90年代已有較多的研究;隧道結(jié)主要用于長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSEL(1.1 μm 以上);氧化限制VCSEL具有功耗低、帶寬大、均勻性和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，氧化限制GaAs基VCSEL(圖3)在模式控制和調(diào)制速度等方面取得了重要進(jìn)展。

　　圖3 氧化限制VCSEL結(jié)構(gòu)和折射率分布示意圖

　　二、單模直調(diào)VCSEL

　　1 單模VCSEL

　　采用縮小氧化孔徑的方法可以實(shí)現(xiàn)VCSEL單模工作。但是普通氧化限制VCSEL的氧化孔徑具有“雙重"限制作用：同時(shí)限制模場(chǎng)和載流子，帶來(lái)了不可忽略的負(fù)效應(yīng)：(1)發(fā)光區(qū)域減小，輸出功率受到限制;(2)電流密度大、器件電阻大、可靠性低、制作容差小等。

　　采用“分離"限制可以解除氧化限制VCSEL中氧化孔徑的“雙重"限制作用：氧化孔徑只限制載流子，引入模式選擇(即空間濾波)結(jié)構(gòu)選擇基橫模，這種“分離"限制模式可提高VCSEL的電學(xué)、光學(xué)、和熱學(xué)等性能。因此，可以適當(dāng)增大氧化限制VCSEL的氧化孔徑，提高單模VCSEL的輸出功率，降低VCSEL的電阻，增大VCSEL的制作容差，提高VCSEL的可靠性，降低VCSEL的發(fā)散角等。

　　基于“分離"限制思路，人們已報(bào)道了多種單模氧化限制VCSEL結(jié)構(gòu)(圖4)，包括：表面刻蝕VCSEL結(jié)構(gòu)(圖4(a))、質(zhì)子注入/氧化混合孔徑VCSEL結(jié)構(gòu)(圖4(b))、多氧化孔徑VCSEL結(jié)構(gòu)(圖4(c))、金屬孔徑VCSEL結(jié)構(gòu)(圖4(d))、Zn擴(kuò)散孔徑VCSEL結(jié)構(gòu)(圖4(e))、孔狀VCSEL結(jié)構(gòu)(圖4(f))、亞波長(zhǎng)光柵VCSEL結(jié)構(gòu)(圖4(g))、耦合腔VCSEL結(jié)構(gòu)(圖4(h))。

　　圖4 單模VCSEL結(jié)構(gòu)示意圖;(a)表面刻蝕VCSEL結(jié)構(gòu);(b)質(zhì)子注入/氧化復(fù)合孔徑VCSEL結(jié)構(gòu);(c)多氧化孔徑VCSEL結(jié)構(gòu);(d)金屬孔徑VCSEL結(jié)構(gòu);(e)Zn擴(kuò)散孔徑VCSEL結(jié)構(gòu);(f)孔狀VCSEL結(jié)構(gòu);(g)亞波長(zhǎng)光柵VCSEL結(jié)構(gòu);(h)耦合腔VCSEL結(jié)構(gòu)

　　2 直調(diào)VCSEL

　　VCSEL是數(shù)據(jù)中心和超級(jí)計(jì)算機(jī)中短距離光互連的重要光源。數(shù)據(jù)吞吐量的逐年增加致使數(shù)據(jù)中心以及超級(jí)計(jì)算系統(tǒng)需要更高調(diào)制帶寬的VCSEL。為了提高VCSEL的調(diào)制帶寬，近年來(lái)人們主要采用以下途徑：

　　(1)采用高微分增益有源區(qū);

　　(2)合理降低光子壽命;

　　(3)提高光限制因子;

　　(4)減小熱效應(yīng);

　　(5)降低電學(xué)寄生效應(yīng)等。

　　目前，柏林工業(yè)大學(xué)(TUB)、瑞典查爾姆斯理工大學(xué)(CUT)、美國(guó)伊利諾伊大學(xué)厄巴納分校(UIUC)、中國(guó)臺(tái)灣國(guó)立中央大學(xué)(NCU)、IBM、Finisar、VIS、Furukawa、NEC等機(jī)構(gòu)報(bào)道了850nm、880nm、910nm、940nm、980nm、1060nm、1100nm等波段的高速VCSEL。其中，2019年CUT和佐治亞理工學(xué)院(GIT)采用均衡器和濾波器基于26 GHz的850 nm VCSEL芯片實(shí)現(xiàn)了超100 Gbps的傳輸速率(OOK調(diào)制格式)。2020年GIT和VIS基于28GHz的850nm VCSEL芯片實(shí)現(xiàn)了168 Gbps的傳輸速率(PAM4調(diào)制格式)。

　　溫度穩(wěn)定性是VCSEL實(shí)際應(yīng)用中的另一個(gè)要求。大量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、傳輸和處理消耗大量的能源，產(chǎn)生的熱量可使VCSEL的工作環(huán)境溫度達(dá)到85 ℃，會(huì)影響VCSEL的性能。因此希望在不改變工作電流以及無(wú)溫控條件下，高溫下的VCSEL性能和室溫下的性能保持一致。為了提高高速VCSEL的溫度穩(wěn)定性，通常將VCSEL的腔模波長(zhǎng)設(shè)置在室溫下量子阱增益峰的長(zhǎng)波長(zhǎng)一側(cè)。TUB報(bào)道了980 nm VCSEL在120 ℃下可以實(shí)現(xiàn)30 Gbps的無(wú)誤碼傳輸，和85 ℃下50 Gbps的無(wú)誤碼傳輸。

　　能效是VCSEL應(yīng)用的又一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，影響著基于VCSEL光互連技術(shù)的生態(tài)成本和經(jīng)濟(jì)成本，同時(shí)也影響VCSEL自身的性能。能效通常定義為傳輸每比特信息所消耗的能量(即：[電壓×電流-輸出光功率]/速率)，單位為飛焦耳每比特(fJ/bit，或mW/Tbps)。根據(jù)半導(dǎo)體國(guó)際技術(shù)路線圖的預(yù)測(cè)，2022年片外光互連的能效要求小于100 fJ/bit，片上光互連的能效要求小于10 fJ/bit。TUB報(bào)道了3.5 ?m氧化孔徑的850 nm VCSEL在25 ℃和25 Gbps速率下，能效達(dá)到56 fJ/bit。

　　除了調(diào)制速率、溫度穩(wěn)定性以及能效外，人們希望VCSEL能在25 Gbps及以上的速率下傳輸2 km甚至更長(zhǎng)。對(duì)于多模VCSEL來(lái)說(shuō)，模式色散使VCSEL很難實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離無(wú)誤碼傳輸。降低VCSEL的譜寬，減小模式色散，是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離無(wú)誤碼傳輸?shù)挠行緩?。減小氧化孔徑和引入模式選擇結(jié)構(gòu)可以有效地降低VCSEL的譜寬。VIS采用氧化孔徑引起的泄漏效應(yīng)減小850 nm VCSEL的譜寬，在鏈路接收端采用信號(hào)處理器(DSP)，在2.2 km的OM4多模光纖中實(shí)現(xiàn)了54 Gbps的傳輸速率。

　　3 單模直調(diào)超結(jié)構(gòu)VCSEL

　　傳統(tǒng)VCSEL的激光腔通常由上/下DBR構(gòu)成。為了得到性能優(yōu)異的VCSEL，一方面需要精確控制DBR每層的厚度和組分;另一方面需要解決DBR的電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)性能等問(wèn)題。

　　最近人們發(fā)現(xiàn)一維或者二維超結(jié)構(gòu)(如HCG)具有寬帶高反射率性能，可以取代多層DBR構(gòu)建新型VCSEL。這種HCG可以看作波導(dǎo)陣列，可以實(shí)現(xiàn)近100%的反射率，當(dāng)HCG反射譜上兩個(gè)或者多個(gè)近100%的反射率點(diǎn)距離足夠近時(shí)，可實(shí)現(xiàn)寬帶高反射率光譜，用作構(gòu)建垂直腔的反射鏡(圖5)。

　　圖5 (a)HCG的示意圖;(b)HCG寬帶高反射率性能的原理圖

　　HCG的反射光譜對(duì)光束的入射角度敏感，是一種空間濾波器，HCG-VCSEL容易實(shí)現(xiàn)單模激射(圖6)。對(duì)于一維HCG，它的反射光譜具有偏振選擇性。因此，一維HCG-VCSEL可以實(shí)現(xiàn)單偏振輸出。目前HCG-VCSEL在850 nm、940nm、980 nm、1060 nm、1310 nm、1550 nm等波段實(shí)現(xiàn)了單模工作和單偏振輸出。通過(guò)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和降低寄生效應(yīng)，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校實(shí)現(xiàn)了-3 dB帶寬為7.8 GHz的1550nm的HCG-VCSEL，并實(shí)現(xiàn)了10 Gbps的無(wú)誤碼傳輸。

　　圖6 HCG-VCSEL示意圖

　　VCSEL是光子集成芯片的理想光源。HCG既可作為VCSEL的反射鏡，同時(shí)也可作為耦合器，實(shí)現(xiàn)將垂直振蕩的激光耦合至水平方向輸出(圖7)。丹麥技術(shù)大學(xué)采用SOI基HCG構(gòu)建1550 nm HCG-VCSEL實(shí)現(xiàn)了水平波導(dǎo)輸出，光泵浦下的-3 dB帶寬達(dá)到27 GHz。因SiN材料在600到1100 nm波段損耗小，根特大學(xué)和CUT在異質(zhì)集成的850 nm VCSEL激光腔中引入SiN基HCG，實(shí)現(xiàn)了SiN波導(dǎo)中水平輸出激光，單側(cè)輸出功率為73 μW，邊模抑制比為29 dB。

　　圖7 (a)1550nm的Si基HCG-VCSEL的示意圖，其中SOI基HCG作為反射鏡;(b)Si基HCG-VCSEL的示意圖，其中SOI基HCG作為反射鏡，同時(shí)作為耦合器;(c)具有水平波導(dǎo)輸出功能的VCSEL示意圖，其中SiN基HCG作為耦合器

　　三、總結(jié)和展望

　　(1)隨著對(duì)器件物理的深入研究以及信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，VCSEL在模式調(diào)控、調(diào)制速率、能效、高溫性能等方面取得了顯著進(jìn)展。

　　人們報(bào)道了多種器件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)單模VCSEL，單模VCSEL可以在2.2 km距離下實(shí)現(xiàn)54 Gbps的數(shù)據(jù)傳輸。目前單通道VCSEL在OOK格式下的調(diào)制速率已經(jīng)超過(guò)了100 Gbps，在25 ℃下能效接近50 fJ/bit，在115 ℃下可以實(shí)現(xiàn)30 Gbps的無(wú)誤碼傳輸。

　　(2)新材料、新結(jié)構(gòu)和新技術(shù)的引入有望進(jìn)一步提高VCSEL的速率、能效、溫度穩(wěn)定性和模式性能等。

　　散熱是VCSEL面臨的一個(gè)重要問(wèn)題，熱效應(yīng)影響VCSEL的速率、能效、傳輸距離等性能以及其應(yīng)用，需要從芯片結(jié)構(gòu)以及封裝方式等方面優(yōu)化。為了滿(mǎn)足未來(lái)片上光互連，VCSEL需和平面光子芯片有機(jī)集成，需要深入研究器件尺寸、能效、和速度之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)高密度(Tbps/cm2及以上)、大容量(Tbps及以上)和低功耗(能效小于10 fJ/bit甚至1 fJ/bit)光子集成芯片。

　　(3)近年來(lái)VCSEL已廣泛用于3D傳感、激光雷達(dá)、工業(yè)加工等領(lǐng)域，這些應(yīng)用通常需要VCSEL陣列，對(duì)功率以及功率密度、轉(zhuǎn)化效率、光束形貌等性能要求較高。

　　VCSEL陣列通常工作在脈沖條件下，脈沖輸出功率可達(dá)百kW級(jí)，功率密度為kW/cm2級(jí)，電光轉(zhuǎn)化效率超過(guò)了50%。為了實(shí)現(xiàn)更高性能的VCSEL陣列，需要在器件物理、外延結(jié)構(gòu)、器件結(jié)構(gòu)、制造封裝、驅(qū)動(dòng)電路等各層次研究和優(yōu)化，解決損耗、熱效應(yīng)、寄生效應(yīng)等問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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