高速1550 nm垂直腔面发射激光器研究进展
Original Light新媒体 中国光学 2022-06-09 20:30 Posted on 吉林
垂直腔面发射激光器（VCSEL）具有成本低、调制速率高等优点，在光通信领域具有重要应用。随着数据流量的飞速增长，在长距离信息传输中，具有低损耗的1550 nm波长的VCSEL引起了研究人员的兴趣。
近日，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 田思聪 研究员与 韩赛一 硕士研究生在《发光学报》（EI、核心期刊）发表了题为“高速1550 nm垂直腔面发射激光器研究进展”的综述文章。
该综述重点介绍了1550 nm VCSEL的结构和带宽限制因素以及提高带宽和速率的方法，并从NRZ（不归零）调制和PAM4（四电平脉冲幅度）调制两方面对近年来高速1550 nm VCSEL的研究进展进行了总结，最后展望了高速1550 nm VCSEL在未来光通信领域的发展和应用。
1. 引言
垂直腔面发射激光器（VCSEL）具有调制速率高、与光纤的耦合特性很好、能耗低、生产成本低等优点，非常适合作为光通信领域的光源。目前，基于GaAs基材料的短波850 nm VCSEL的制备技术已经很成熟，但由于模式色散，在基于850 nm VCSEL的光通信系统中，信息的传输距离被限制在数百米。与之相比，1550 nm波段是光纤的低损耗窗口，在相同的光纤长度下，1550 nm VCSEL在光纤上的传输损耗约为850 nm VCSEL在光纤上传输损耗的1/10左右，因此更加适合长距离传输。
2. 高速VCSEL的带宽限制因素
要制备具有高调制带宽的高速VCSEL，首先要了解限制VCSEL调制带宽的因素。从VCSEL的传递函数可知，调制带宽主要受到阻尼限制、热限制和寄生限制。
（1）阻尼限制：若要减小阻尼限制，可以通过刻蚀顶部DBR或在顶部DBR沉积氮化硅减小光子寿命等方法来实现。
（2）热限制：VCSEL工作时温度升高，有源区会出现载流子泄露，使得弛豫振荡频率减小，器件带宽减小。要减小热限制可以采用短腔或半波长腔来提高光学限制因子、减小有源区体积、使用应变量子阱增大微分增益，从而提高弛豫振荡频率。
（3）寄生限制：VCSEL的寄生效应会影响注入电流进入有源区，从而限制VCSEL的高速调制性能。要减小寄生限制，需要尽可能地减小VCSEL器件中的电容和电阻，如改变DBR的掺杂分布将吸收损耗降到最小来减小电阻，或通过缓变结降低异质结处的势垒尖峰和改善势垒形状从而减小电阻。对于氧化限制型VCSEL，使用薄氧化层或多个氧化层的方法可以减小寄生电容。而对于BTJ结构来说，在制备BTJ结构进行二次生长时降低掺杂浓度可以减小高掺杂p+n+区的寄生电容。
3. 1550 nm VCSEL改善高速性能的方法
（1）优化器件结构
目前，1550 nm VCSEL制备工艺仍不完善，主要是基于InP基的具有高折射率和高热导率的分布式布拉格反射镜（DBR）难以制备、长波长VCSEL的热问题较为显著，1550 nm VCSEL的有效电流限制结构很难形成。为解决以上难题，晶圆熔合（Wafer-fusion，WF）技术和掩埋隧道结（BTJ）得到了广泛的应用。图1所示为1550 nm VCSEL的结构示意图。
首先，晶圆熔合技术为高性能DBR难以制备的问题提供了解决方案。在InP衬底上生长有源区，在GaAs衬底上生长热性能好的DBR，如GaAs/AlGaAs材料的 DBR，然后通过晶圆熔合技术将它们结合在一起，从而获得腔长较短、散热性能较好的1550 nm VCSEL。
图1：1550 nm VCSEL结构示意图
此外，BTJ结构是目前高速1550 nm VCSEL最常用的结构。BTJ结构可以通过选择性刻蚀孔径外的高掺杂n++和p++型层、然后在二次外延生长时用轻掺杂n型材料覆盖剩余的p型层来实现，这一方法大大减少了p区的热效应。而且二次外延BTJ结构可以在BTJ区域外形成一个阻塞的pn结层，而在BTJ区域内，由于隧道效应，p++n++结具有较低的电阻。因此电流被限制在重掺杂区，从而实现对电流的限制。此外，通过晶圆熔合技术制备的1550 nm VCSEL具有散热性能优异的DBR，对解决器件的热问题也有帮助。田思聪研究员与俄罗斯团队合作，通过晶圆熔合技术，实现了1550 nm VCSEL基于NRZ调制下37 Gbps的传输速率。图2为该器件在NRZ调制下的眼图。
图2：1550 nm VCSEL传输速率为37 Gbit/s时的NRZ眼图
（2）使用更高级的调制格式
随着研究的发展，1550 nm高速VCSEL的器件结构不断完善，但受制于热效应和寄生效应，通过改善器件结构来提升VCSEL传输速率的方法有一定的上限。因此，为了实现更高速率的传输，在传输链路中使用更加先进、有效的调制格式来代替传统的调制格式将成为必然。
传统的VCSEL 调制一般使用NRZ 调制格式，它采用高、低两种信号电平来表示所要传输的数字逻辑信号0和1，每个符号能够传输1 bit 的逻辑信息。而PAM4 信号采用4个不同的信号电平（00）、（01）、（10）、（11）来进行信号传输，因此每个符号上能传输的信息增加为2 bit。这代表着在与NRZ调制相同的符号率下，PAM4调制在理论上可以提高一倍的传输速率，因此对链路的带宽需求大大降低。
4. 结论与展望
晶圆熔合技术和BTJ结构的使用优化了1550 nm VCSEL结构，增大了器件的调制带宽。而PAM4调制格式理论上可以在与NRZ调制格式相同的符号率下，提升一倍的传输速率。这些研究都大大地提升了1550 nm VCSEL的高速性能，但目前1 550 nm VCSEL仍面临很大挑战，它的制备技术仍然达不到850 nm VCSEL那样成熟，上述器件结构的优化并不能完全解决制备上的难题。
因此，在长距离数据传输中，量子阱（QW）激光器和分布反馈（DFB）激光器仍是主要的光源。但我们可以预见，随着研究的不断深入，这些难题一定会被完全解决；而且相比PAM4调制格式更加先进的技术也可能被运用到信息传输中，1550 nm VCSEL也终将会在长距离数据传输中占据更加重要的地位。
作者简介
韩赛一， 2020年于吉林大学获得学士学位，现为中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中德绿色光子学研究中心硕士研究生，主要从事垂直腔面发射激光器的研究。
田思聪，2012年于吉林大学获得博士学位，现任中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中德绿色光子学研究中心研究员，博士研究生导师，主要从事高速半导体激光器的研究。
佟存柱，2005年于中国科学院半导体所获得博士学位，发光学及应用国家重点实验室常务副主任，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研究员，博士研究生导师，主要从事高亮度半导体激光芯片、面发射激光器和碟片激光器的研究。
王立军，1982年于吉林大学获得硕士学位，中国科学院院士，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研究员，博士研究生导师，主要从事激光技术等领域的基础及应用研究。
Dieter Bimberg，德国科学院院士，美国工程院院士，美国发明家学会院士，俄罗斯科学院院士，柏林工业大学终身教授，现为中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中德绿色光子学研究中心主任，博士研究生导师，主要从事量子点激光器、高速VCSEL的研究。
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