垂直腔面发射激光器研究进展

垂直腔面发射激光器（Vertical-cavity surface-emitting laser，VCSEL）是一种在与半导体外延片垂直方向上形成光学谐振腔、发出的激光束与衬底表面垂直的半导体激光器结构，具有尺寸小、功耗低、效率高、寿命长、圆形光束以及二维面阵集成等优势。近年来，由于VCSEL的市场迅速发展，针对不同的应用需求，VCSEL的功率、速率、能效以及高温稳定等性能都有了长足的进步，从而拓展了VCSEL的应用领域。
近日，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所王立军院士、宁永强研究员团队在《发光学报》（EI、核心期刊）发表了题为“垂直腔面发射激光器研究进展”的综述文章，共同第一作者是博士研究生张继业和李雪。该综述重点介绍了VCSEL的研究历程，简述了其在高功率、高速、高温下工作等方面的研究进展，期望对从事该领域研究的学者和研究生有所帮助。
1. 引言

图1 VCSEL的应用
半导体激光器是信息化社会最具有代表性的关键光电子器件之一，已经在许多领域得到了广泛应用。研究人员在边发射激光器的研制过程中遇到了阵列制备工艺复杂、器件测试困难以及输出模式和波长难以控制等问题。因此，日本东京工业大学教授K. Iga提出的VCSEL得到了各方研究人员的重视。
自1990年以来，伴随着VCSEL器件性能的不断提高，VCSEL已经得到了市场的广泛认可，其应用领域也呈爆炸式增长（图1）。随着激光泵浦、医疗、军事以及材料加工等应用领域的需求日益增长，高功率VCSEL 成为很重要的一个研究方向。同时，由于先进驾驶系统、云计算、物联网技术与5G通信技术等应用愈发成熟，信息的急剧增加产生了对数据带宽大幅增长的需求，而高速VCSEL因其在光互连和光数据网络中的应用而成为全球研究的热点。而能应用在光互联、3D传感、车载雷达、原子钟等领域，缘于VCSEL的关键特性：稳定的高温性能和对温度变化的不敏感。为满足这些应用需求，高温稳定工作、可靠性高的VCSEL近年来越来越受到关注。
2. VCSEL在高功率、高速及高温下工作的研究进展
自1996年以来，VCSEL器件在功率性能方面的研究发展迅速。在国内，中科院长春光机所通过研究和创新，在国际上首次实现了1.95 W单管VCSEL连续输出，随后又将VCSEL阵列式脉冲输出功率提高到210 W。经过国内外的不懈努力，VCSEL器件的输出功率已经达到上千瓦，在红外照明、泵浦光源、工业加热、LiDAR以及3D传感等应用领域的市场规模也迅速增长。然而，高功率VCSEL单管或阵列器件均为多横模输出，导致输出光束质量很差。为了改进光束质量，国内外研究人员采用了环形电极、光栅、微透镜、光子晶体以及外腔等技术。
针对高速VCSEL的研究，期望获得高的调制带宽，这就需要降低寄生电容、阻尼和热效应等限制因素对调制带宽的影响。国内外研究人员通过优化DBR中的导带和价带界面及掺杂分布、在信号焊盘下面使用低介电常数的厚聚绝缘材料作为支撑物、引入多个深氧化层以及质子注入等方式，850 nm波长的高速VCSEL实现了超过了50 Gbps的无误码传输、28.2 GHz的调制带宽。针对980 nm和1 100 nm波长，高速VCSEL由于采用InGaAs/GaAs应变量子阱作为有源区，最终实现了35 GHz的调制带宽。
原子钟和光互联所应用的光源需要VCSEL器件在高温环境下工作，所以稳定的高温性能是必不可少的关键因素。这需要从VCSEL芯片表面刻蚀微结构及增益失谐设计等方面进行优化。针对原子钟的应用光源，中科院长春光机所通过一系列的创新实验，在国内首次实现了795 nm/894 nm VCSEL高温下高效率工作。而在光互联应用方面，经过国外研究机构的优化后，VCSEL器件结构在高温下仍能完成60 Gbps无误码数据传输。并且新结构、新材料和新技术的引入进一步提高了VCSEL的输出性能，从而拓展了VCSEL的应用领域。
3. 展望
虽然VCSEL在高功率、高速、高温稳定等性能方面已经有了一些突破性的进展，但是仍存在着一些重要的科学和技术问题亟待解决。
（1）高功率VCSEL的研究
高功率VCSEL的输出功率在几百毫瓦到几千瓦之间，裕度达到了4个数量级，但是随着输出功率的增加，很难保持良好的光束质量。然而，针对LiDAR等汽车应用迎来的机遇，对功率和光束质量有着更高的要求。
（2）高速VCSEL的研究
近几年的研究报道显示，短波长高速VCSEL的调制带宽接近了常规氧化物限制VCSEL的极限，即35 GHz，并且其调制速率的提升依赖于调制方式和电子驱动设备的技术进步。而今后高速VCSEL的研究还需要向长波长方向延伸，即1 310 nm和1 550 nm，其光纤损耗远小于短波波段的损耗，可以将通信距离延伸至20 km以上。但是在该波段，VCSEL芯片外延生长有较大难度，因此长波波段高速VCSEL还没有广泛应用于光互联。
（3）高温工作VCSEL的研究
原子钟和光互联所应用的光源是高温工作VCSEL器件最具有代表性的应用方向。然而，VCSEL的性能在高温下会严重退化，导致阈值电流增大，斜率效率降低，并且谐振载流子光子相互作用的本征阻尼也会影响VCSEL的调制速度。高温工作下可靠性高的VCSEL器件将是未来研究的重点。
总之，从数据通讯到智能传感，VCSEL的应用市场日益多样化，其正在成为支持当前和未来信息社会不可或缺的关键组件。
作者简介（通讯作者）
宁永强，博士，研究员，博士研究生导师。1999年于中科院长春物理所获得博士学位，2009年度被推荐为新世纪百千万人才工程国家级人选，2015年获科技部创新人才推进计划“大功率半导体激光器重点领域创新团队”，担任团队负责人。2015年获得吉林省技术发明一等奖。近年来在大功率垂直腔面发射激光研究中，率领团队于2014年研制出210W高峰值功率VCSEL列阵器件(Japanese J. Applied Physics, 2014年7月)，美国Semiconductor Today（2014年7月）以“垂直腔面发射激光集成面阵输出功率210 W”为题专文进行了评述。在芯片原子钟专用高温垂直腔面发射激光方面，组织团队突破InAlGaAs等新材料结构设计与制备等问题，在国内首次实现了795 nm/894 nmVCSEL在高温（>70 ℃）下高效率工作。
王立军，研究员，中国科学院院士，博士研究生导师，１９８２年于吉林大学获得硕士学位，主要从事激光技术等领域的基础及应用研究。
文章信息
张继业, 李雪, 张建伟, 等. 垂直腔面发射激光器研究进展[J]. 发光学报, 2020, 41(12):1443-1459.

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