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关于光通信VCSEL发展历史的浅析彭真(上海交通大学 上海，200030、菲尼萨光电通讯科技(无锡)有限公司 无锡，214028)摘要：本文介绍了垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）的发展过程，以及目前预见的发展方向从VCSEL面世到如今大规模商用，可以分为两个阶段第一个阶段是VCSEL结构确定阶段，第二个阶段是各个性能参数不断优化阶段关键词：垂直腔面发射激光器；高速VCSEL；VCSEL结构VCSEL(vertical cavity surface emitting laser) 是一种垂直腔面发射激光器，其概念首次由日本东京工业大学伊贺教授在1977年首次提出，并于1979年使用液相外延技术（LPE）首次制备了InGaAs/InP材料的VCSEL[1];由于其具有模式好、阈值低、稳定性好、寿命长、调制速率高、集成高、发散角小、耦合效率高、价格便宜等很多优点而被广泛应用；1 VCSEL发展史VCSEL的历史，也是在诸多学者机构的努力下，其性能不断优化的历史，在这几十年的历史中，IGA及其带领的团队起到了不可磨灭的作用，可以堪称IGA教授为VCSEL之父随着VCSEL的诸多优点，其应用也越来越广泛。

并且为了适合这些应用，VCSEL也朝着多个方向在各自发展，如图1所示，为其主要应用：图1 不同波长VCSEL应用领域 第一个VCSEL刚问世时，其各个方面的性能并没有很大的优越性，结构如图2它是使用液相外延技术（LPE）实现InGaAs/InP 材料的VCSEL需要在77K的温度下才能工作，发射方式为脉冲激射，中心波长为1.18um，阈值电流为900mA即使如此，VCSEL的问世也让诸多学者眼前一亮，因为文中给出了一个合理的预测：通过增加有源层厚度以及减小注入电流直径，可以使VCSEL在室温下工作！ 图2 GaInAsP/InP VCSEL截面示意图由于目前VCSEL最主要应用在光传输方面，基于1979年Soda等人的VCSEL为开端，VCSEL的发展，主要经历了2个阶段：1.1 第一阶段：从VCSEL诞生到20世纪末，蛮荒发展阶段 在这个阶段，各个组织机构都提出以及尝试了各种不同结构类型的VCSEL，最终氧化物限制型VCSEL由于其诸多优点而胜出1982年，便有Hajime Okuda等人尝试利用掩埋异质结（buried heterostructure）结构(Fig.3)，来降低阈值电流。

在77K温度下，最低的阈值电流可以做到520mA（26kA/cm2）,如图3[4]在掩埋异质结构型激光器中，有源区被完全掩埋在高带隙、低折射率的半导体材料中，这就产生了一个光波导而这种激光器其主要就是利用此掩埋异质结构对电流、载流子以及光很好的限制作用，来降低阈值电流图3 掩埋异质结结构VCSEL为了增加反射率，1985年Iga等人用50层的GaInAsP/InP异质结充当布拉格反射镜，其在1.42um下的反射率可以达到82%，采用此结构的VCSEL阈值电流液氮温度下可以降低到120mA结构如图4:图4 异质结布拉格反射镜GaInAsP/InP VCSEL同时期，IGA等人又采用环形电极的方式，制作出了首个二维VCSEL阵列，阈值电流可以降低到35mA，环形电极有助于提高阈值电流的一致性如图5所示：图5 环形电极首个二维阵列VCSEL1987年，采用减小谐振腔长度的方法，阈值电流已经可以做到mA级别[10] 同年，加州理工学院用BH GRIN SCH SQW（buried heterostructure graded-index separated-confinement heterostructure single quantum well） 的方式，实现了0.55mA阈值电流下的连续激射[13]。

1994年，Huffaker等人率先采用在台面结构（Mesa）下本征氧化AlGaAs，生成掩埋高阻层Al氧化物的方式，来对电流进行进一步的限制利用这种结构，阈值电流可以降低到225uA而这种结构就是目前普遍采用的氧化物限制型（Oxide-confined）结构的原型(图6)； 图6 首个氧化物限制型VCSEL 2013年，Iga对VCSEL的关键指标如阈值电流、调制带宽与有源区的关系给出了简单的关系公式：VCSEL的阈值电流同其他半导体激光器一样，与有源区体积有如下关系式：由公式可以看出，为了降低阈值电流，就需要不断减小有源区体积比较当前的VCSEL与条状激光器的有源区体积，可以发现，VCSEL的V=0.06um3， 条状激光器依然在V=60um3， 这就是为什么条状激光器的阈值电流典型值仍旧在几十mA的级别，而VCSEL的阈值电流已经达到了亚毫安级别1.2 第二阶段：逐渐发展成熟阶段及优化阶段由于氧化物限制型的VCSEL具有低阈值电流等很多优点，这种结构的VCSEL被很快运用到了光通信中1996年，K.L.Lear等人在前人的基础上经过优化，报道了3dB调制带宽达到16.3GHz的波长970nm氧化物限制型VCSEL。

调制响应曲线如图7、图8所示[15]：图7 不同偏置电流下调制响应图8 布拉格反射镜氧化物限制型VCSEL第二年，Lear等人又实现了中心波长在850nm的20GHz调制频率的VCSLE并且实现了12Gb/s的大信号调制速率，误码率低至10-13由于高的工作电流可以带来更好的调制特性，但同时也会相应的增加功耗，进而带来温度的上升，会对可靠性带来影响调制速率与功耗成了VCSEL在光传输领域中重要的挑战2007年，Y-C.Chang等人采取增加深氧化层层数到5层以及增加p型掺杂浓度来降低串联阻抗的方式，在0.9mA电流下实现的15GHz调制带宽，相应的功耗只有1.2mW，带宽/功耗比只有12.5GHz/mW, 是当时最先进水平VCSEL截面结构如图9所示：图9 深氧化层氧化物限制型VCSEL 利用相同的VCSEL结构，同年，Y-C.Chang等人又实现了35Gbps的无误码传输[16] 2011年，Petter Westbergh等人研究了850nm氧化物限制型VCSEL光子寿命与谐振频率及调制速率的关系，并指出在高谐振频率以及低阻尼震荡中取得一个折衷来提高速率：当光子寿命接近3ps时，可以使VCSEL的调制带宽达到23GHz，同时可以得到40Gb/s的无误码传输。

近年来，各个兴趣小组对于高速率、低功耗的VCSEL研究依然兴趣不减，图10是截止到2015年，各机构的研究成果可以看出，如果采用预加重的方式，目前VCSEL背靠背传输可以达到71Gbit/s图10 短波长VCSEL光互联领域发展近况2 挑战与机遇目前，VCSEL的发展又到了一个节点主要是随着VCSEL调制速率的提高，多模光纤的传输带宽遇到了瓶颈而随着解决方法的不同，需要有不同特性的VCSEL来与之相匹配比如采用PAM4等其他调制方式来传输信号，这就要求VCSEL需要有相当宽的动态调制范围也可以采用单模传输，相应的目前也有单模VCSEL问世，等等参考文献：[1] GaInAsP/InP Surface Emitting Injection Lasers[2] SURFACE-EMITTING GalnAsPlnP INJECTION LASER WITH SHORT CAVITY LENGTH[3] Room-temperature pulsed oscillation of GaAIAs/GaAs surface emitting injection laser[4] GaInAsP/InP Surface Emitting Injection Laser with Buried Heterostructures ,1981[5] The temperature Dependence of the Threshold Current of GaInAsP/InP DH Lasers[6] Lasing Characteristics of improved GaInAsP/InP surface emitting injection lasers[7] Room-temperature pulsed oscillation of GaAIAs/GaAs surface emitting injection laser[8] InGaAsP/InGaP buried heterostructure lasers at 810nm ,1984[9] Two-Dimensional Array of GaInAsP/InP Surface-Emitting Lasers [10] Microcavity GaAlAs/GaAs Suface emitting laser with Ith=6mA ,1987[11] Surface Emitting Semiconductor Lasers ,1989[12] Use of Implant Isolation for fabrication of vertical cavity surface-emitting laser diodes 1989[13] Ultra low threshold graded~index separate-confinement heterostructuresingle quantum well (AI,Ga)As lasers [14] 10Gbps Operation of TO-Can packaged 850nm Oxide Confined VCSEL[15] High-frequency modulation of oxide-confined vertical cavity surface emitting lasers [16] High-efficiency, high-speed VCSELs with 35Gbit/s error-free operation。