原文首次发表在 爱光学 及 中国激光
http://www.opticsjournal.net/Journals/zgjg.htm?action=post&oid=PT200723000106oVrXu
2020年第7期《中国激光》出版“半导体激光器”专题。中国科学院半导体研究所刘安金研究员受邀撰写《单模直调垂直腔面发射激光器研究进展》综述论文，并作为内封面文章发表。论文总结了VCSEL模式控制的基本思路和相关器件结构及其性能，综述了直调VCSEL在速度、能效、温度稳定性等方面的进展，介绍了集成光子超结构VCSEL的研究进展，展望了下一代VCSEL的突破途径以及大功率VCSEL阵列的前景。
内封面文章|刘安金. 单模直调垂直腔面发射激光器研究进展[J]. 中国激光, 2020, 47(7): 0701005
一、背景介绍
你知道吗？作为支撑腾讯、阿里巴巴、Google等大型数据中心的关键光电子器件之一的垂直腔面发射激光器（vertical-cavity surface-emitting laser，VCSEL），在1979年就被首次展示了。
VCSEL的概念最早由日本东京工业大学Iga教授于1977年提出，是为了解决边发射激光器（edge-emitting laser，EEL）的研究中，人们遇到的制作、测试、以及模式和波长控制等问题。
VCSEL通常由上/下布拉格反射镜（distributed Bragg reflector，简称DBR）、有源区、氧化孔径、上/下电极构成，光束沿着垂直于衬底方向出射（图1）。与EEL采用天然解理面作为激光腔镜不同，VCSEL采用DBR作为激光腔的腔镜，可以在解理成芯片之前在片测试，以及二维阵列集成。VCSEL的横向结构形状通常为圆形，输出的光束圆形对称，能够和光纤高效耦合。此外，VCSEL腔长为一个波长量级，可以实现高调制带宽、单纵模以及低功耗工作。
图1 VCSEL和EEL的结构示意图
过去40多年，VCSEL在器件物理、材料生长、器件制作和表征、器件集成和应用等方面取得了显著进展。如今，VCSEL已经广泛应用于数据通讯、三维传感、激光打印、激光显示、激光照明、汽车电子、激光加工、消费电子、原子传感、激光雷达等领域（图2）。苹果、华为等手机厂商将VCSEL导入智能手机等消费电子，引燃了VCSEL研究和投资的新一轮热潮。
图2 VCSEL的应用
VCSEL主要有三种电流限制结构：质子注入结构、隧道结结构和氧化限制结构。质子注入VCSEL在20世纪90年代已有较多的研究；隧道结主要用于长波长VCSEL(1.1 μm 以上)；氧化限制VCSEL具有功耗低、带宽大、均匀性和可靠性高等优点。近年来，氧化限制GaAs基VCSEL（图3）在模式控制和调制速度等方面取得了重要进展。
图3 氧化限制VCSEL结构和折射率分布示意图
二、单模直调VCSEL
1 单模VCSEL
采用缩小氧化孔径的方法可以实现VCSEL单模工作。但是普通氧化限制VCSEL的氧化孔径具有“双重”限制作用：同时限制模场和载流子，带来了不可忽略的负效应：（1）发光区域减小，输出功率受到限制；（2）电流密度大、器件电阻大、可靠性低、制作容差小等。
采用“分离”限制可以解除氧化限制VCSEL中氧化孔径的“双重”限制作用：氧化孔径只限制载流子，引入模式选择（即空间滤波）结构选择基横模，这种“分离”限制模式可提高VCSEL的电学、光学、和热学等性能。因此，可以适当增大氧化限制VCSEL的氧化孔径，提高单模VCSEL的输出功率，降低VCSEL的电阻，增大VCSEL的制作容差，提高VCSEL的可靠性，降低VCSEL的发散角等。
基于“分离”限制思路，人们已报道了多种单模氧化限制VCSEL结构（图4），包括：表面刻蚀VCSEL结构（图4（a））、质子注入/氧化混合孔径VCSEL结构（图4（b））、多氧化孔径VCSEL结构（图4（c））、金属孔径VCSEL结构（图4（d））、Zn扩散孔径VCSEL结构（图4（e））、孔状VCSEL结构（图4（f））、亚波长光栅VCSEL结构（图4（g））、耦合腔VCSEL结构（图4（h））。
图4 单模VCSEL结构示意图；（a）表面刻蚀VCSEL结构；（b）质子注入/氧化复合孔径VCSEL结构；（c）多氧化孔径VCSEL结构；（d）金属孔径VCSEL结构；（e）Zn扩散孔径VCSEL结构；（f）孔状VCSEL结构；（g）亚波长光栅VCSEL结构；（h）耦合腔VCSEL结构
2 直调VCSEL
VCSEL是数据中心和超级计算机中短距离光互连的重要光源。数据吞吐量的逐年增加致使数据中心以及超级计算系统需要更高调制带宽的VCSEL。为了提高VCSEL的调制带宽，近年来人们主要采用以下途径：
（1）采用高微分增益有源区；
（2）合理降低光子寿命；
（3）提高光限制因子；
（4）减小热效应；
（5）降低电学寄生效应等。
目前，柏林工业大学（TUB）、瑞典查尔姆斯理工大学（CUT）、美国伊利诺伊大学厄巴纳分校（UIUC）、中国台湾国立中央大学（NCU）、IBM、Finisar、VIS、Furukawa、NEC等机构报道了850nm、880nm、910nm、940nm、980nm、1060nm、1100nm等波段的高速VCSEL。其中，2019年CUT和佐治亚理工学院（GIT）采用均衡器和滤波器基于26 GHz的850 nm VCSEL芯片实现了超100 Gbps的传输速率（OOK调制格式）。2020年GIT和VIS基于28GHz的850nm VCSEL芯片实现了168 Gbps的传输速率（PAM4调制格式）。
温度稳定性是VCSEL实际应用中的另一个要求。大量数据的产生、传输和处理消耗大量的能源，产生的热量可使VCSEL的工作环境温度达到85 ℃，会影响VCSEL的性能。因此希望在不改变工作电流以及无温控条件下，高温下的VCSEL性能和室温下的性能保持一致。为了提高高速VCSEL的温度稳定性，通常将VCSEL的腔模波长设置在室温下量子阱增益峰的长波长一侧。TUB报道了980 nm VCSEL在120 ℃下可以实现30 Gbps的无误码传输，和85 ℃下50 Gbps的无误码传输。
能效是VCSEL应用的又一个关键指标，影响着基于VCSEL光互连技术的生态成本和经济成本，同时也影响VCSEL自身的性能。能效通常定义为传输每比特信息所消耗的能量（即：[电压×电流-输出光功率]/速率），单位为飞焦耳每比特（fJ/bit，或mW/Tbps）。根据半导体国际技术路线图的预测，2022年片外光互连的能效要求小于100 fJ/bit，片上光互连的能效要求小于10 fJ/bit。TUB报道了3.5 ?m氧化孔径的850 nm VCSEL在25 ℃和25 Gbps速率下，能效达到56 fJ/bit。
除了调制速率、温度稳定性以及能效外，人们希望VCSEL能在25 Gbps及以上的速率下传输2 km甚至更长。对于多模VCSEL来说，模式色散使VCSEL很难实现长距离无误码传输。降低VCSEL的谱宽，减小模式色散，是实现长距离无误码传输的有效途径。减小氧化孔径和引入模式选择结构可以有效地降低VCSEL的谱宽。VIS采用氧化孔径引起的泄漏效应减小850 nm VCSEL的谱宽，在链路接收端采用信号处理器（DSP），在2.2 km的OM4多模光纤中实现了54 Gbps的传输速率。
3 单模直调超结构VCSEL
传统VCSEL的激光腔通常由上/下DBR构成。为了得到性能优异的VCSEL，一方面需要精确控制DBR每层的厚度和组分；另一方面需要解决DBR的电学、光学、热学性能等问题。
最近人们发现一维或者二维超结构（如HCG）具有宽带高反射率性能，可以取代多层DBR构建新型VCSEL。这种HCG可以看作波导阵列，可以实现近100%的反射率，当HCG反射谱上两个或者多个近100%的反射率点距离足够近时，可实现宽带高反射率光谱，用作构建垂直腔的反射镜（图5）。
图5 （a）HCG的示意图；（b）HCG宽带高反射率性能的原理图
HCG的反射光谱对光束的入射角度敏感，是一种空间滤波器，HCG-VCSEL容易实现单模激射（图6）。对于一维HCG，它的反射光谱具有偏振选择性。因此，一维HCG-VCSEL可以实现单偏振输出。目前HCG-VCSEL在850 nm、940nm、980 nm、1060 nm、1310 nm、1550 nm等波段实现了单模工作和单偏振输出。通过优化器件结构和降低寄生效应，美国加州大学伯克利分校实现了-3 dB带宽为7.8 GHz的1550nm的HCG-VCSEL，并实现了10 Gbps的无误码传输。
图6 HCG-VCSEL示意图
VCSEL是光子集成芯片的理想光源。HCG既可作为VCSEL的反射镜，同时也可作为耦合器，实现将垂直振荡的激光耦合至水平方向输出（图7）。丹麦技术大学采用SOI基HCG构建1550 nm HCG-VCSEL实现了水平波导输出，光泵浦下的-3 dB带宽达到27 GHz。因SiN材料在600到1100 nm波段损耗小，根特大学和CUT在异质集成的850 nm VCSEL激光腔中引入SiN基HCG，实现了SiN波导中水平输出激光，单侧输出功率为73 μW，边模抑制比为29 dB。
图7 （a）1550nm的Si基HCG-VCSEL的示意图，其中SOI基HCG作为反射镜；（b）Si基HCG-VCSEL的示意图，其中SOI基HCG作为反射镜，同时作为耦合器；（c）具有水平波导输出功能的VCSEL示意图，其中SiN基HCG作为耦合器
三、总结和展望
（1）随着对器件物理的深入研究以及信号处理技术的发展，VCSEL在模式调控、调制速率、能效、高温性能等方面取得了显著进展。
人们报道了多种器件结构实现单模VCSEL，单模VCSEL可以在2.2 km距离下实现54 Gbps的数据传输。目前单通道VCSEL在OOK格式下的调制速率已经超过了100 Gbps，在25 ℃下能效接近50 fJ/bit，在115 ℃下可以实现30 Gbps的无误码传输。
（2）新材料、新结构和新技术的引入有望进一步提高VCSEL的速率、能效、温度稳定性和模式性能等。
散热是VCSEL面临的一个重要问题，热效应影响VCSEL的速率、能效、传输距离等性能以及其应用，需要从芯片结构以及封装方式等方面优化。为了满足未来片上光互连，VCSEL需和平面光子芯片有机集成，需要深入研究器件尺寸、能效、和速度之间的关系，实现高密度（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）近年来VCSEL已广泛用于3D传感、激光雷达、工业加工等领域，这些应用通常需要VCSEL阵列，对功率以及功率密度、转化效率、光束形貌等性能要求较高。
VCSEL阵列通常工作在脉冲条件下，脉冲输出功率可达百kW级，功率密度为kW/cm2级，电光转化效率超过了50%。为了实现更高性能的VCSEL阵列，需要在器件物理、外延结构、器件结构、制造封装、驱动电路等各层次研究和优化，解决损耗、热效应、寄生效应等问题。
作者简介：
刘安金，中国科学院半导体研究所研究员，博士生导师，德国“洪堡”学者，中国科学院大学岗位教授。研究方向包括：垂直腔面发射激光器、新型半导体激光器、微纳光子器件、光子集成。
已在Photonics Research、Applied Physics Letters、Optics Letters、Optics Express等期刊和国际会议上发表SCI/EI论文70多篇，拥有第1发明人授权美国专利1项，拥有授权中国专利13项。任Photonics Research、Applied Physics Letters、Optics Letters、Optics Express等国内外主流期刊的审稿人，波兰国家科学中心、科技部、国家自然科学基金委等项目评审专家。
获得中国科学院“朱李月华”优秀博士生奖学金、中国科学院院长特别奖、中国科学院优秀博士论文、北京市科学技术奖二等奖、德国“洪堡”学者、中国光学工程学会创新技术奖一等奖、国家技术发明奖二等奖等奖项/荣誉。
