（微电子学与固体电子学专业论文）垂直腔面发射激光器高速调制特性研究.pdf

摘要 摘要 垂直腔面发射激光器( v e r t i c a lc a v i t ys u r f a c ee m i t t i n gl a s e r ，缩写为v c s e l ) 在半导体激光器历史中发展虽然较晚，但是凭借其多方面的优势，自问世以来便 跻身于光通讯、光互联、光交换、光存储以及光打印等诸多领域并在其中发挥着 重要的作用。与传统的边发射激光器相比，v c s e l 最特别之处是发射的光束垂直 于衬底，而非传统的侧面发射。 随着信息化的深入，光通信对速度和带宽都提出了更高的要求。i e e e 于2 0 0 2 年就已提出速度为1 0 g b s 的8 0 2 3 a e 以太网标准，尤其是在高速局域网中，具有 众多优点的v c s e l 成为最有前途的光源之一，极具市场前景和重大社会意义。 另外，在光互联中，数字通信光开关、路由器、高性能的多处理器系统、系统、 芯片问的数据传输等对带宽和速率的要求也是持续增长，廉价、高速、低功耗、 可密集集成和高可靠性的v c s e l 已成为首选光源。 然而，由于自身结构的特殊性，对这种新兴的优良器件而言，许多问题仍然 迫待解决。对于直接调制的量子阱激光器，主要涉及到载流子的电注入，及其在 有源区内部的输运，以及其受激复合产生光子等过程，光子经过特定的时间周期 离开光腔激射，这一过程中的任何物理延迟都会影响到激光器的高速特性。此外， v c s e l 器件结构所寄生的电阻和电容也会对其高速调制特性产生重要影响。因此， 为了更好的提高垂直腔面发射激光器的实用性能，必须对其高速调制方面的内容 进行研究。 本论文在国家“9 7 3 ”项目( 批准号：2 0 0 6 c b 6 0 4 9 0 2 ) 和国家自然科学基金( 批 准号：6 0 5 0 6 0 1 2 ) 等项目支持下，针对9 8 0 、8 5 0 n m 内腔接触式氧化物限制型v c s e l 的高速调制特性，进行了深入的实验研究和理论探索，最终成功地归纳了v c s e l 高速调制方面的相关概念，对多量子阱系统和隧道再生多有源区建立了可以较全 面的描述载流子在量子阱中的俘获、逃逸和隧穿等输运过程的多层速率方程模型。 得到光子密度，载流子俘获逃逸隧穿时间等关键因素对垂直腔面发射激光器高 速调制特性的影响，并对器件结构的寄生参数进行了分析与模拟，为v c s e l 器 件性能、结构的优化提供了一定的理论依据，提出了一种新型高速调制v c s e l 器件结构。 本论文的具体研究工作概括如下： 1 、分析、总结v c s e l 量子阱有源区和器件寄生参数等内外两方面因素对 v c s e l 高速特性产生影响的基本理论。对内部有源区的载流子输运过 程、光子微分增益、空间烧孔、多横模耦合、温度等因素对于v c s e l 北京工业大学工学硕十学位论文 高速调制的影响进行了分析。 2 、通过理论分析，建立适用于多量子阱v c s e l 的多层速率方程模型。在 理论与实验基础上，对器件进行小信号分析，研究光子密度，载流子 俘获、逃逸和隧穿时间等关键参数对v c s e l 频率响应特性的影响。对 内腔接触式氧化物限制型v c s e l 器件的小信号调制特性进行测量，通 过调整器件输出光功率，验证理论计算结果的正确性。 3 、在单有源区速率方程基础上，建立适用于隧道再生量子阱多有源区 v c s e l 的多层速率方程模型。通过计算，研究小信号下光子密度、载 流子俘获、逃逸和隧穿时间等参数对隧道再生双有源区v c s e l 频率响 应特性的影响，并和单有源区v c s e l 器件结果进行对比分析。 4 、对内腔接触式氧化限制型v c s e l 的寄生电阻和电容进行估算，并对其 组成的寄生电路进行高频信号的频率响应模拟，通过模拟结果分析， 提出一种新型高速调制内腔接触式氧化物限制型v c s e l 器件结构，并 对新型器件结构进行工艺可行性分析。 5 、通过理论分析，建立了内腔接触式氧化物限制型v c s e l 器件的注入电 流在氧化孔径中的分布模型，计算并分析不同孔径下注入电流的分布 情况和均匀性以及有源区注入载流子分布对器件模式和高速调制特性 的影响。 通过本论文的工作，全面完成了国家“9 7 3 和国家自然科学基金等科研任 务中v c s e l 高速调制方面的研究工作，共发表论文3 篇，以第一作者发表论文2 篇，其中s c i 收录一篇，已经被物理学报收录，e i 收录一篇，已被中国激 光收录。 关键词：高速调制；垂直腔面发射激光器；速率方程；隧道再生； a b s t r a c t a b s t r a c t v e r t i c a l - c a v i t ys u r f a c e 。e m i t t i n gl a s e r ( v c s e l ) i sr e s e a r c h e da st h ep r o m i s i n g a p p l i c a t i o nf o rm a n ya d v a n t a g e sa n di ti sa p o t e n t i a ld e v i c ef o ro p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ， o p t i c a li n t e r c o n n e c t i o n ，l a s e rp r i n t i n g ，o p t i c a lm e m o r ya n ds oo n c o m p a r e dw i t ht h e c o n v e n t i o n a le d g ee m i t t i n gl a s e r s ，t h eu n i q u e e m i t so u t s i d e p e r p e n d i c u l a rt ot h es u b s t r a t e p o i n to fv c s e l i st h a tt h el a s i n gl i g h t a s 廿1 ed e v e l o p i n go ft h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , o p t i c a lc o m m u i l i c a t i o ni l e e d s m o r ea n dm o r eb a n d w i d t h t h e10 g b se t h e rc r i t e r i o n8 0 2 3 a eh a d b e e ne s t a b l i s h e d b yi e e ei n2 0 0 2 t h ev c s e lw h i c hh a sm a n ya d v a n t a g e sw i l lb eo n eo fn 圮m o s t p r o t m s l n gl a m p ，e s p e c i a l l yi nt h eh i g hs p e e dl o c a la r e an e t w o r k ，t h u s ，i th a s1 棚? g e m a r k e ta n dg r e a ts o c i a lm e a n i n g s i na d d i t i o n ，t h ed a t at r a n s m i tr e q u i r em o r ea n d m o r eb a n d w i d t ha n ds p e e di n o p t i c a ls w i t c h 、r o u t e r 、m u l t i - p r o c e s s o r ss v s t e m 、 m u l t i s y s t e m sa n dm u l t i - c h i p s ，w h i c hm e a n st h ev c s e lh a dt ob et h ep r i o r i t yw 1 1 i c h o rc h e a p 、u g hs p e e d 、l o w p o w e r 、i n t e g r a t e di nb i gs c a l ea n dh i g hr e l i a b i l i t y h o w e v e r , t h e r ea r es e v e r a lp r o b l e m st ot h i sn o v e ld e v i c eb e c a u s eo ft h e p a r t i c u l a r i t yo fs t r u c t u r e t h ed i r e c tm o d u l a t i o no fs e m i c o n d u c t o rl a s e r si n v 0 1 v e sm e 1 q e c t i o no fc a r e e r sf r o ma l le x t e r n a lc u r r e n ts o u r c e ，t h et r a n s p o r to ft h e s ec a r r i e r st o t h eq u a n t u mw e l la c t i v er e g i o n ，a n dt h es t i m u l a t e dr e c o m b i n a t i o no f t h e s ec 州e r st o p r o d u c ep h o t o n s t h e s ep h o t o n sl e a v et h el a s e rc a v i t yi ns o m et i m ep e r i o d ，t h e nt h e y a r ed e t e c t e da su s e f u lo u t p u t a n yp h y s i c a ld e l a yi nt h i sp r o c e s sm a yd e g r a d et h e h i g h 。s p e e dp e r f o r m a n c eo ft h el a s e r m o r e o v e r ，t h ev c s e ld e v i c e 咖c t u r eh a s s t r o n ge f f e c to nt h eh i g hs p e e dm o d u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c t h e r e f o r e ，w em u s td os o m e r e s e a r c ha b o u tt h eh i g hs p e e dm o d u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i ci n o r d e rt o i m p r o v ei t s p r a c t i c a b i l i t y s u p p o r t e db y9 7 3p r o je c t ( g r a n tn o ：2 0 0 6 c b 6 0 4 9 0 2 ) a n dn a t i o n a ln a n l r a l f o u n d a t i o n ( g r a n tn o ：6 0 5 0 6 012 ) ，t h eh i g hs p e e dm o d u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i co f v c s e lw a si n v e s t i g a t e da n ds e v e r a lm o d e l sw e r ef o u n d e ds u c h 嬲协e r a t ee q u a t i o n s f o rm u l t i 。q u a n t u m 。w e l l sa n dt u n n e l - r e g e n e r a t e dm u l t i a c t i v e r e g i o n s t h ee 妇f e c t so f p h o t o nd e n s i t ya n dt h ec a r r i e rc a p t u r e e s c a p e t u n n e lt i m eo n t h e 仔e q u e n c yr e s p o n s e o f s i n g l ea c t i v er e g i o nv e r t i c a l c a v i t y s u r f a c e e m i t t i n gl a s e r ( v c s e l ) a n d t u n n e l - r e g e n e r a t e dv c s e lw i t ht w oa c t i v er e g i o n sw e r es i m u l a t e db yt h es m a l ls i g n a l a n a l y s i s o t h e r w i s e ，w es i m u l a t e dt h ef r e q u e n c yr e s p o n s eo ft h ep a r a s i t i cc i r c u i to f i c - o c - v c s e l ( i n t e m a l c o n t a c to x i d e - c o n f i n e dv c s e l ) a f t e ra n a l y r z e di t sp a r a s i t i c i 北京- 下业大学t 学硕士学位论文 p a r a m e t e r s t h e n ，an o v e lh i g hs p e e dm o d u l a t i o nv c s e ld e v i c es t m c t u r ew a s c r e a t e d t h em a i nw o r kc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w i n g ： 1 t h ei n t e r n a la c t i v er e g i o na n de x t e r i o rd e v i c ep a r a s i t i cp a r a m e t e r sw e r e a n a l y z e d t h ee f f e c t so ft h ec a r d e rt r a n s p o r ti na c t i v er e g i o n 、t h e d i f f e r e n t i a lg a i no fp h o t o n 、t h es p a t i a lh o l eb u r n i n g 、t h ec o u p l i n go f m u l t i t r a n s v e r s em o d ea n dt e m p e r a t u r eo nt h eh i g hs p e e dm o d u l a t i o no f v c s e lw e r ed i s c u s s e d 2 t h er a t ee q u a t i o n sw e r ee s t a b l i s h e df o rm u l t i - q u a n t u mw e l l sv c s e l a f t e rt h e o r e t i c a la n a l y s i s w ed i s c u s s e dt h ee f f e c t so fp h o t o nd e n s i t y ， c a r d e rc a p t u r e ，e s c a p ea n dt u n n e lt i m e so nt h eh i g hs p e e dm o d u l a t i o no f v c s e lb yt h es m a l ls i g n a la n a l y s i st h e o r e t i c a l l ya n dp r a c t i c a l l y m e a s u r e m e n t t h ec a l c u l a t er e s u l th a db e e nv a l i d a t e db ym e a s u r es m a l l s i g n a lf r e q u e n c yr e s p o n s eo fi c - o c - v c s e l u n d e rd i f f e r e n tp o w e ro u t 3 t h er a t ee q u a t i o nm o d e le s t a b l i s h e df o rt h et u n n e lr e g e n e r a t e dv c s e l 、7 ，i t hm u l t ia c t i v er e g i o n so nt h eb a s i so ft h ev c s e lw i t hs i n g l ea c t i v e r e g i o n t h ee f f e c t so fp h o t o nd e n s i t y ，c a r d e rc a p t u r e ，e s c a p ea n dt u n n e l t i m e so nt h eh i g hs p e e dm o d u l a t i o no ft h ev c s e lw e r ed i s c u s s e db yt h e s m a l ls i g n a la n a l y s i s ，a n dt h er e s u l t sw e r ec o m p a r e d 谢t 1 1t h eo n e so f d e v i c e 、衍ms i n g l ea c t i v er e g i o n 4 t h e p a r a s i t i cp a r a m e t e r so fi c o c - v c s e lw e r ec a l c u l a t e d t h e n ，t h e s m a l ls i g n a l f r e q u e n c yr e s p o n s eo ft h ep a r a s i t i cc i r c u i to fi c - o c - - v c s e lw a ss i m u l a t e d a f t e rt h e s ew o r k s ，an o v e lh i g hs p e e dm o d u l a t i o n i c - o c - v c s e ld e v i c es t r u c t u r ew a sc r e a t e d ，a n dt h ep r o c e s sf e a s i b i l i t y w a sa n a l y z e d 5 t h em o d e lw a se s t a b l i s h e df o ri n j e c tc u n e md i s t r i b u t i o ni nt h eo x i d e - a p e r t u r eo f i c - o c v c s e la f t e rt h e o r e t i c a la n a l y s i s t h ee f f e c t so fi n j e c t c u r r e n td i s t r i b u t i o na n du n i f o r m i t ya n di n j e c tc a r d e rd i s t r i b u t i o ni na c t i v e r e g i o nu n d e rd i f f e r e n to x i d e - a p e r t u r e so nt h et r a n s v e r s em o d ea n dh i g h s p e e dm o d u l a t i o no f d e v i c ew e r ec a l c u l a t e da n dd i s c u s s e d b yt h e s er e s e a r c hj o b s o nt h et h e s i s ，t h ej o bo fh i g hs p e e dm o d u l a t i o n c h a r a c t e r i s t i co fv c s e l ，w h i c hi sp a r to fn a t i o n a l “9 7 3 a n dn a t i o n a ln a t u r e f o u n d a t i o no fc h i n a , h a sb e e nc o m p l e t e dw e l l a n dt h r e ep a p e r sh a v eb e e np u b l i s h e d ， t w oo fw h i c hp u b l i s h e d2 l st h ef i r s ta u t h o rh a sb e e ne m b o d i e db ys c ia n de i ，o n eh a s b e e np u b l i s h e db ya c t ap h y s i c as i n i c a , a n do n eh a sb e e np u b l i s h e db yc h i n e s e a b s t r a c t j o u r n a lo fl a s e r s k e yw o r d s ：h i 曲s p e e dm o d u l a t i o n ；v e r t i c a lc a v i t ys u r f a c ee m i t t i n gl a s e r s ；r a t e e q u a t i o n s ；t u n n e lj u n c t i o nr e g e n e r a t e d ； i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：塑翌熏日期：! z 么 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：缝导师签名：辑日期： 绪论 第1 章绪论 随着信息技术飞速发展，人们对信息的获取和发布、交换的需求迅速增长， 对高速信息处理和通信能力的要求越来越高。现在光通信系统点到点的传输系统 已满足不了巨大信息量的传输，需要开发更高速度和更宽带宽的并行光传输系统 和器件；此外，计算机网络系统容量的不断扩大，也迫切需要其通信网络系统之 间的高速互连，于是开始考虑1 0 g b i t s 以上速率和1 0 信道以上的并行光网络系统， 尤其是高速的本地局域网和高速的并行光互联系统将会极大的提高信息传输速 度；再者，在光存储器中也需要高速高密度的存储系统。因此，并行光网络系统 中的关键模块即大规模二维集成的光电器件的实现与研究将变的十分重要。半导 体激光器的出现导致了以光纤通信、光纤传感、光信息处理与显示等为代表的光 信息技术的蓬勃发展，然而传统的边发射激光器无论是f p 腔( f a b r y p e r o t ) 激 光器或是分布反馈( d i s t r i b u t e df e e d b a c k ，d f b ) 激光器，出光方向平行于衬底， 这种激光器的光束互连要借助光纤来实现，但是其光束与光纤耦合比较困难，因 此很难实现面对面自由空间的光互连，光交换和各种并行处理，更难实现二维集 成，且其在芯片解理前不可能进行单个器件的基本性能测试，光束发散角过大等 问题限制了边发射激光器的使用价值。为克服这一系列缺点，人们提出了垂直于 衬底方向出光的垂直腔面发射激光器v c s e l ( v e r t i c a lc a v i t ys u r f a c ee m i t t i n g l a s e r ，简称v c s e l ) 。 1 1v c s e l 的发展过程 v c s e l 在半导体激光器历史中发展虽然较晚，但其在3 0 年左右的时间里发 展速度非常迅速。早在1 9 6 2 年就有人提出了制造垂直腔二极管激光器的建议， 但是当时没有办法实现【l j 。7 7 k 下，脉冲激射的第一只v c s e l 是在1 9 7 7 年由索 达( s o d a ) 、伊贺( i g a ) 等人研制出来的，它采用液相外延技术首次实现了 i n g a a s p i n p 材料系列的v c s e l ，这也是世界上第一个v c s e l 器件。器件的激 射波长1 3 i - t m ，阈值电流为9 0 0 m a ，反射镜采用金锌合金，具有完全的衬底吸收， 因此反射率很低( 8 0 ) ，但由于这种激光器的单程增益长度极短，激射条件十 分苛刻，因此初期的研究进展十分缓慢。1 9 8 2 年，伯纳姆( b u m h a r m ) 、塞弗莱 ( s c i f r e s ) 和斯特莱佛( s t r e i f e r ) 等提出了v c s e l s 不同外延设计的专利，其中的某些 部分与当今所用的结构已十分相似，但当时的外延生长工艺还不足以精确制造这 种结构。1 9 8 3 年提出了第一个外延生长的反射镜。以后的大多数工作就是致力于 改进体有源区内载流子的限制结构和多层介质的反射镜或外延生长半导体反射 北京丁业大学t 学硕士学位论文 镜，以便获得高的反射率，在这一年i g a 教授研制出g a a s a i g a a s 材料系列的 v c s e l 在7 7 k 下的脉冲工作，阈值电流为3 5 0 m a 。同年实现了室温激射，阈值 电流为1 2 a ，次年降到了3 1 0 m a1 2 1 1 3 。1 9 8 5 年开始采用m b e 生长v c s e l ，并 将脉冲工作下的阈值电流降低为1 5 0 m a ，而且首次制备出v c s e l 列阵。1 9 8 6 年， 在低温7 7 k 下首次实现i n g a a s p i n p 材料系列的v c s e l 的激射，阈值电流降低 到2 0 m a ，g a a s a 1 g a a s 材料系列v c s e l 毫安量级脉冲激射，阈值降到6 m a ， 激射波长8 6 0 n m 。 在1 9 8 8 年通过采用圆形掩埋异质结来有效的限制电流，波长为8 5 0 n m g a a s a 1 g a a s 材料系列v c s e l 的室温连续工作得到首次实现，v c s e l 的研究取 得了突破性的进展。同年a t & t 贝尔研究室的j l j e w e l l ( 现在p i c ol i g h ti n c ) 等人 将v c s e l 中应变超晶格有源层的层厚缩d , n 单一量子阱( 8 0 埃) 的极限厚度， 利用激励光实现了室温下的连续工作 4 1 。这一系列成果的取得，激励着v c s e l 的研究得到快速发展并不断取得鼓舞人心的成就。1 9 9 1 年实现9 8 0 n m g a a s i n g a a s 系列v c s e l s 室温连续工作【5 j ；1 9 9 3 年实现1 3 l a i n 的i n g a a s p h l p v c s e l s 的室温连续工作【6 1 ；1 9 9 4 年实现1 5 5 1 a m 的i n g a a s p i n pv c s e l s 室温连 续工作【7 】：19 9 4 年光泵浦蓝绿光v c s e l s 实现室温连续工作【8 】；19 9 5 年实现可见 光偿 光) v c s e l s 的室温连续工作；1 9 9 6 年h o n e y w e l l 公司将v c s e l s 推向市场， 实现其商品化 9 1 ；1 9 9 9 年桑迪亚国家实验室利用反传导耦合，研究制作了发射 8 6 8 n m 波长的两个强烈耦合锁相列阵v c s e l s ，这一发展为以高功率v c s e l s 为 基础的发射器铺平了道路【1 0 1 ；2 0 0 0 年5 月实现1 3 0 0 n mg a l n n a s g a a s 量子阱 v c s e l s 的室温连续工作【1 1 1 。对于v c s e l 来说，其已经具备了应用于波分复用 ( w d m ) 光纤通信及计算机内部、计算机之间的高速并行数据光互连的现实性， 之后，对v c s e l 广泛而深入的全面性研究迅速开展，主要的研究方向有：波长 扩展、波长集成和可控调谐、高速、大规模二维阵列、横模控制、新结构、改进 和简化制造工艺，以及其在高速光网络、光互联和光信号处理等应用领域的研究。 由于v c s e l 的商业和研究价值，近些年来，有大量的光电子公司和美目欧 一些高校、研究所都对v c s e l 的研究和发展进行了大量的工作，如美国e m c o r e 公司、h o n e y w e l l 公司、m o t o r o l a 、h p 、e 2 0 公司、n o v ac r y s t a l s 公司、美国l u c e n t 技术研究所( 原a t & tb e l ll a b ) 、c a l i f o m i a 大学( u c s b ) 、t e x a s 大学、伊利 诺依大学、南加州大学、c o m e l l 大学、s a n d i a 国家实验室；日本的东京工业大学、 a x t 公司、三洋电气公司、n e c 公司、s e i k o 公司、e p s o n 公司；德国i n f i n e o n 公 司和u l m 大学；英国b t l 公司等，其研究范围涉及从紫外到红外各个波段的材 料组分、器件结构、器件性能等诸多方面。由于通信网络对速度和带宽需求的进 一步提高，对v c s e l 高速性能的需求也进一步加强，国外关于垂直腔面发射激 光器高速特性方面的研究不断丰富，如何在不影响其他性能指标的前提下有效发 绪论 掘v c s e l 的高速特性潜力成为研究的热点之一。 我国在v c s e l 方面的研究也取得了很大进展，目前国内从事v c s e l 研究的单 位主要有中科院半导体所、长春光机所、吉林大学、北京大学、武汉电信器件公 司、武汉大学和北京工业大学等单位。1 9 9 9 年，中科院半导体所成功研制了双面 氧化限制型红光v c s e l ，阈值电流0 2 5 m a ，最大输出功率超过0 3 m w ，波长为6 5 0 6 7 0 衄【1 2 】【l 引。2 0 0 3 年武汉电信器件公司研制出高性能的8 5 0 n m 氧化限制型 v c s e l ，9 9 m 氧化孔径v c s e l 斜效率0 8 2 m w m a ，室温最大输出功率1 6 m w ； 5 1 m a 氧化孔径v c s e l ，阈值电流为5 7 0 1 x a ，最大输出功率5 5 m w ；1 2 1 a m 和1 6 1 m a 氧 化孔径器件微分电阻分别为3 5 q 和2 5 q ，具有良好的温度特性和可靠性，可应用 于1 2 5 g b i v s 数据通信【1 4 1 。2 0 0 4 年，在9 8 0 r i m 高功率v c s e l 方面取得了重大突破， 中科院物理所和长春光机所联合首次研制出高功率v c s e l ，室温连续输出功率 1 9 5 w ，2 0 0 9 m 直径器件，1 0 w 条件下峰值光功率1 0 5 w ，3 0 0 1 x m 直径器件连续波 光功率输出1 1 1 w ，上述指标据称均处于国际同类器件先进水平。与此同时，通 过高温快速老化实验，测得器件寿命达至u 4 5 0 0 d 时，相信相关产品很快会推向市 场【l5 】【1 6 1 。2 0 0 7 年中科院半导体所报道了9 8 0 n m 高密度排列大功率垂直腔面发射激 光器列阵，列阵单元为蜂窝状密堆积排列，单元台面直径为7 0 1 m a ，氧化孔径为 3 0 9 m ，相邻单元间隔为1 0 0 1 a m 。制作了最多含3 7 个单元的列阵，该列阵在6 a 脉冲 电流( 脉宽3 0 “s ，重复频率1 0 0 h z ) 激发下，输出功率达到11 4 w t l 。7 1 。2 0 0 8 年厦门 大学和中科院半导体所联合报道了g a n 基垂直腔面发射激光器，在室温光泵条件 下，激射波长4 4 9 5 n m ，阈值6 5 m j c m 2 ，激射峰的半高宽小于0 1 n m ，这些指标达 到了国际先进水平【l8 1 。尽管如此，我们同国p b v c s e l 的发展还存在很大的差距。 无论是电学性能上的提升还是光学特性上的改进，最终目标都是要为其应用服务 的，对于v c s e l 高速特性的研究国内比较少，但却是近来高速光网络应用的主要 瓶颈之一，是必须考虑的重点。 目前我们实验室已研制出氧化限制结构9 8 0 n m 波段和8 5 0 r i m 波段的v c s e l 。 9 8 0 n m 波段器件特性为：氧化孔径为2 6 p m 的器件室温脉冲最大输出功率可达 1 3 1 m w ，室温连续输出功率最高可达9 m w ；8 5 0 r i m 波段器件特性为：2 2 u m 氧化 孔径的器件室温脉冲最大输出功率可达1 7 6 m w ，室温连续输出功率最高可达 1 0 7 m w ，阈值电流密度为0 3 9 5 k a c m 2 ，特征温度t o = 3 3 3 k 。氧化孑l 径为1 0 岫 的器件在1 1 5 m a 室温脉冲条件下，输出功率8 1 m w ，阈值电流0 1 m a ，在5 m a 室 温直流条件下连续工作9 3 5 个小时后，其光功率等参数基本保持不变，器件性能 居国内领先、国际先进水平。为了进一步提高本实验室的v c s e l 性能指标，我们 针对其应用瓶颈高速调制特性，分析解决高速调制性能方面的问题，提高v c s e l 的实用价值。 北京t 业大学丁学硕十学位论文 1 2v c s e l 的优点和缺点 v c s e l 是出光方向垂直于衬底的一种新型的半导体激光器，由有源区和上下 两个反射镜构成，与传统的边发射激光器相比，v c s e l 最特别之处是产生激光的 谐振腔位于外延生长的上下两个分布布拉格反射镜( d b r ) 之间，所以发射的光束 垂直于衬底，而非传统的侧面发射。正是由于v c s e l 独特的物理结构使其具有 了许多优点： 1 极易获得单色性极好的单纵模光输出，纵模间隔满足下列关系式： a t = 名2 2 l n g ( 1 - 1 ) 式中i 谐振腔长度 n 。群折射率 若l = 1 岬，则对于8 5 0 n m 的a 1 g a a s g a a s 器件，a t = 9 9 8 n m 。v c s e l 的光腔长 度极短，导致其纵模间距较大，不易发生跳模现象，在光互连、光通讯等应用中 非常重要。 2 输出光束的方向性和对称性好。v c s e l 腔内的横向光场限制一般为圆 形，使输出光束具有圆形对称的远近场分布，光束发散角小，方向性好，易于与 光纤耦合( 从细单模光纤到l m m 左右的塑料光纤都可以) ，现已证实与多模光纤 的耦合效率大于9 0 。 3 谐振腔体积很小，易于产生微腔效应，自发辐射因子较普通端面发射激 光器高几个数量级，可实现极低阈值电流激射，其功耗和发热都比传统半导体激 光器要小得多，器件的温度敏感性也比边发射激光器低。 5 v c s e l 可获得较长的寿命，可靠性较高。v c s e l 的主要生产商h o n e y w e l l 公司对v c s e l 进行的可靠性试验数据表明，若把寿命定义为输出光功率的2 d b 衰减，则在2 5 和1 0 m a 工作电流下，v c s e l 的平均无故障寿命( m t f f ) 达到 3 3 1 0 7 小时，而在5 0 和1 0 m a 工作电流下，v c s e l 的m t f f 达到1 4 x1 0 6 小 时，性能明显优于传统的边发射激光器【1 9 】。 6 v c s e l 非常适合制造二维阵列集成。v c s e l 出光方向垂直于晶片表面， 易于排列成面阵形式，可实现高密度二维面阵的集成，特别适合于平行光互连和 信息处理。易于光电集成( o e i c ) ，并且与大规模集成电路在工艺上具有良好的兼 容性。而且，v c s e l 可实现“在片”测试，极大地降低了成本，并且容易模块化 和封装。 虽然，相对于传统的边发射激光器v c s e l 具有许多优点，但是由于其本身 的结构特点使其不可避免的存在一些不足之处，如： 1 在材料生长方面，v c s e l 的反射镜和有源区通常可以通过一次外延生长 绪论 获得，由于其腔长较短，有源区较薄，光增益小，对反射镜反射率要求很高，对 反射镜反射峰值波长和有源区增益峰值的匹配要求也比较高，因此，对于材料的 精确生长有较高要求。 2 高反射率反射镜的实现，目前用于v c s e l 中的反射镜通常为d b r 反射 镜，对于大多数波长，如8 5 0 n m 、9 8 0 r m a 、13 1 0 n m 等都可以实现一次外延形成 d b r 反射镜及整个器件外延片，但是对于1 5 5 0 n r a 长波长v c s e l 和g a n 基 v c s e l 则很难一次外延形成器件外延片的生长，需要增加键合或者二次外延等其 他工艺步骤来形成完整的器件外延片，为器件制造增加了工艺复杂度。 3 直接调制速率，普通结构的量子阱v c s e l 直接调制速率较低，远达不到 高速光通信和光互联中1 0 g b i u s 或者更高的要求，成为其在高速光网络应用中的 瓶颈。 1 3 高速v c s e l 的研究现状及主要应用 1 3 1v c s e l 的研究现状及主要应用 v c s e l 在自由空间光互连，光交换，光通信，光信息处理，高速并行光网络 等领域有广泛的应用前景，而且也非常适合在激光打印、气体检测、高密度光存 储、显示和照明方面应用，与不同的光电子器件集成，可以实现很多功能，如调 兰兰：兰主兰- 光通信系统，l a n ，光互连_ _ l _ _ _ _ _ o 一 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - - _ - _ - _ _ _ _ _ - - _ _ a l o a l n a s l n p o a l n n a s ，g a a s 0 a a s s b g a a s 0 a l h a s g a a s a l g a a s 0 a a s a 】g “n p ，g a a s g “m a n 波长m m 图1 - i 面发射激光器用半导体材料及其发射波长 f i g l - 1s e m i c o n d u c t o r m a t e r i a ls y s t e m su s e d f o r v c s e l s a n d o u t p u t w a v e l e n g t h s 北京工业大学工学硕十学位论文 谐，放大和滤波等。这使得v c s e l 成为二维并行光功能系统的关键器件，可用 于图像处理与模式识别，还可用于光神经网络计算技术和多值逻辑等新型电路； v c s e l 的谐振腔非常小，因此可做成高速率的光开关；通过控制二维列阵中各 v c s e l 的位相可以控制输出光的相干性，将v c s e l 做成相干阵列，这在相干通 信和相干检测中极为重要；通过对各个v c s e l 激射光的锁模效应，可以获得方 向性很强的大功率激光输出【2 0 】【2 1 1 。 在短短几十年时间内，v c s e l s 取得了巨大的进展，其波长从紫外到2 5 阻n 较宽波长范围内，各种应用目的v c s e l s 正在被开发或进一步深入研究。其中 0 8 5 0 9 8 9 r n 的g a a s ，i n g a a s 系列的v c s e l s 较为成熟，已被用于简易光互连中， 其模块化，系统化的工作正在进行，已经实现了商品化。用于长距离光纤通讯的 长波长v c s e l s 仍然没有较成熟的外延和工艺技术，1 3 1 u n 及1 5 1 a m 波长v c s e l 是光并行处理、光识别系统及光互联系统中的关键器件，极具市场潜力。今后如 何提高长波长v c s e l s 的输出光功率，仍然是将来一段时间所需要关注的主要课 题。在光记录技术方面，0 7 8 呻n 和红光a 1 g a i n pv c s e l s 的研究开发也在进展中。 采用氮化物的紫外、蓝光v c s e l s 及采用锑化物