可調諧垂直腔面發射激光器

李保志，鄒永剛

(長春理工大學 高功率半導體激光國家重點實驗室，長春130022)

引　言

與傳統的邊發射激光器不同，垂直腔面發射激光器(vertical cavity surface emithing laser,VCSEL)是一種光垂直于襯底表面發射的新型激光器[1]。自20世紀70年代被發明以來，VCSEL在光通信、光互聯和光存儲等領域都得到了廣泛應用，并且在高性能計算機(high performance computing,HPC)、磁光記錄儀、原子鐘、電子控制產品(激光成像和制導、激光雷達)等領域也具有廣泛的應用前景。VCSEL除了可在同一襯底上并列集成多個器件外，還具有圓形對稱光斑、體積小、閾值低、單縱模、耦合效率高、調制速率高[2]等諸多優點。

一般的VCSEL器件發射波長是不變的。在密集波分復用通信系統(dense wavelength division multiplexing,DWDM)[3]中，若要得到波長不同的光需要將多個VCSEL集成在一起，這樣會造成系統不穩定并增加了生產成本。至此，波長可調諧VCSEL的提法便應運而生。20世紀90年代初，美國加州大學伯克利分校的CHANG-HASNAIN研發出了第1個波長可調諧的VCSEL，波長調諧范圍為19nm[4]。在近幾十年的發展過程中，可調諧VCSEL的調諧范圍大大增加，調諧方式也更為豐富，具體可分為靜電調諧、壓電調諧、電熱調諧和液晶調諧4種調諧方式。國內外主要的研究機構有：中國科學院半導體研究所、長春理工大學、北京工業大學、德國達姆施塔特工業大學、法國布列塔尼歐洲大學和比利時根特大學等。

1　基本原理與結構

VCSEL發出的光垂直于芯片表面，正是基于這一特性，使得VCSEL易于2維集成形成陣列。同時VCSEL腔長極短使其縱模間距大[5]，所以容易得到單縱模輸出。VCSEL具有小的諧振腔體積，其自發輻射因子遠遠高于邊發射激光器，能夠達到極低閾值條件下激射，極大地降低了器件的功耗和熱能耗，延長了器件的使用壽命。從工藝上來講，VCSEL制作工藝與平面硅工藝完全兼容，方便與其他電子器件實現光電子集成[6]。可調諧激光器最初是通過改變層厚進行調諧，由于調諧范圍非常窄，便在激光器的制作過程中引入了空氣隙這一概念，利用空氣隙厚度的變化使VCSEL的有效腔長發生改變。

垂直腔面發射激光器的諧振腔是一種Fabry-Pérot(F-P)結構。激光器工作狀態下諧振腔中會產生多種光波，但是只有滿足駐波條件的光波才可在腔內形成有效振蕩，光子在諧振腔中往返光程的相位差是2π的整數倍，即4πnL/λ=2mπ，所以這里諧振條件可表示為：

(1)

式中，L為等效腔長，n為等效折射率，m為整數，λ為諧振波長。從(1)式可以看出，若要使諧振波長發生變化，可以改變激光器的等效腔長或等效折射率。靜電調諧、壓電調諧和電熱調諧等調諧方法都是使懸臂梁或微機電系統(micro-electro-mechanical system,MEMS)結構上下移動，從而改變空氣隙大小，使等效腔長發生改變。由(1)式可知，等效腔長變化，波長也隨之改變。

圖1所示是MEMS可調諧VCSEL的結構示意圖。它由上下兩對摻雜類型不同的分布式布喇格反射鏡(distributed Bragg reflector,DBR)反射鏡組成。上DBR是可以移動的，下DBR固定并與襯底相連。空氣隙和有源區位于上下DBR之間。在有源區兩側加電壓可形成電流，產生受激輻射。空氣層兩端加電壓后，在靜電力的作用下，P型DBR可上下移動，改變諧振腔的長度。下式是中心波長與各個參量的變化關系：

圖1　MEMS結構波長可調諧VCSEL結構圖

(2)

式中，r表示F-P腔的光學常數，Leff是有效腔長，ΔL表示諧振腔的改變量。這是一種在靜電激勵下的調諧方法，把靜電激勵改為熱電調諧也可產生同樣的效果。即上DBR由于電流的注入所產生的熱量而發生形變，導致空氣層厚度的變化。由(1)式可知，將空氣隙換成其它材料，保持這種材料的厚度不變，改變折射率也可以使波長發生改變。向列相液晶[7]在3V～10V的調諧電壓下，可以改變液晶的折射率，在可調諧VCSEL中是一種非常理想的調諧材料。

可調諧VCSEL主要由可移動上DBR、可變空氣隙、有源區和下DBR構成，這是一種標準的F-P諧振腔結構[8]。將折射率不同、厚度為光波長1/4的光介質層疊起來可構成DBR反射鏡。反射率越高則需要這兩種介質的折射率差越大。為了滿足激射條件，DBR反射鏡需要具有較大的反射率。介質可有較大的折射率差，而且吸收很少，所以DBR反射鏡只需增加多層膜的層數即可提高反射率。半導體材料的DBR反射鏡相比于絕緣材料的DBR反射鏡其不同介質之間的折射率差并不是很大，因此為了得到高的反射率需要多個介質薄膜對，一組半導體DBR反射鏡通常由20對～40對介質薄膜組成。一般的VCSEL結構可分為上、中、下3個部分，幾十納米厚的量子阱發光區位于上下DBR反射鏡之間，有源區發出的光在上下DBR之間來回震蕩，經過多次放大后滿足激射條件的光由頂部出射。圖2是可調諧VCSEL的結構示意圖。該結構主要由三部分組成：可移動上DBR反射鏡、有源區和底部N型DBR反射鏡。底部N型DBR是由多對半導體材料組成，可移動上DBR包括P型DBR、可變空氣隙和N型DBR。電壓加在P型DBR和底部N型DBR上可使激光器發生激射，在頂部N型DBR和P型DBR上加反向偏壓可以改變空氣層的厚度，調諧波長大小。

圖2　可調諧VCSEL的結構示意圖

靜電調諧、壓電調諧和電熱調諧這3種調諧方式下的可調諧VCSEL主要由半VCSEL和MEMS結構組成。靜電調諧方式最初采用的是單懸臂梁結構，為了提高MEMS在調諧過程中的穩定性，單懸臂梁結構逐漸演變為雙懸臂梁結構、四懸臂梁結構。圖3是四懸臂結構的靜電可調諧VCSEL[9]。電極通電后四懸臂梁MEMS結構在靜電力的作用下發生彎曲變形，改變了諧振腔的長度。

圖3　靜電方式可調諧VCSEL的結構示意圖

在微機械壓電激勵可調諧VCSEL中，基本結構是34對N型下DBR反射鏡，GaAs量子阱有源區層，可移動的上DBR反射鏡。上DBR反射鏡又可為3部分：4對P型DBR，可變化的空氣隙，15對由懸臂梁結構支撐的N型DBR。上DBR是P-I-N型結構，由摻雜類型不同的AlxGa1-xAs材料構成。如圖4所示，當施加反向電壓時，垂直方向上的電場就會穿過I型壓電層使其彎曲變形。懸臂梁的偏移就會改變空氣隙的大小，達到波長調諧的目的[10]。圖中,ε為縱向應變，Mp為等效彎曲力矩，δ為偏移量，V為電壓。

如圖5所示是電熱方式可調諧VCSEL的結構[11]，它的懸臂梁結構與以上兩種調諧方式的不同。該懸臂梁由熱層電極、SiO2、N型摻雜層即熱層和AlGaAs DBR構成。由于AlGaAs DBR的熱膨脹系數約是SiO2的10倍，熱層電極加調諧電壓引起的溫度變化會使懸臂梁發生形變，最終引起腔長的改變。

2011年，CASTANY等人制備出如圖6所示的內腔液晶VCSEL結構。該結構是通過改變液晶的折射率實現波長調諧。上DBR為SiO2/TiO2介質薄膜，下DBR采用Si/SiNx介質薄膜。器件的有源結構通過分子束外延(molecular beam eritaxy,MBE)在InP晶體上生長，由3個8nm厚的InGaAs量子阱構成。器件采用光抽運激勵，施加電壓小于3V，在1500nm通信波段實現了超過30nm的調諧[12]。

圖6　內腔液晶可調諧VCSEL示意圖

2　發展歷程

2.1　微機械懸臂梁靜電激勵可調諧VCSEL

1994年，美國加利福尼亞大學CHANG-HASNAIN的科研團隊[13-15]采用靜電激勵的方式，制作了微機械單懸梁臂結構可調諧VCSEL，并得到20nm的調諧效果。1998 年,LI等人采用 Al0.1Ga0.9As/Al0.9Ga0.1As 材料做 DBR, 第1次用頂發射的方式代替了傳統的襯底發射,以最大調諧電壓26.1V，中心波長935nm，獲得了31.6nm調諧范圍，最大輸出功率為1.6mW，閾值電流則為1.2mA～4.5mA[16]。由于VCSEL的調諧范圍受到1/3 原則的限制，為了盡可能地提高VCSEL的調諧性能，HUANG等人又采取壓電激勵的方式來制備可調諧VCSEL[17]。該設備中上反射鏡的結構為P-I-N型，中間的I層是壓電晶體，調諧過程中需要在上反射鏡兩邊加電壓，從而在I層中產生電場使壓電晶體產生形變來達到波長調諧的目的。目前, 空氣隙的變化量為150nm，調諧范圍可達到30nm。

2.2　微機械薄膜結構靜電激勵調諧VCSEL

1997年，斯坦福大學的SUGIHWO，LARSON等人采用靜電激勵的微機械介質薄膜作為可移動上反射鏡來制作可調諧VCSEL，實現了968nm附近，波長調諧19.1nm，閾值電流為0.34mA的可調諧VCSEL[18]，如圖7所示。2011年，北京工業大學光電子實驗室采用靜電激勵微機械雙臂結構制作的可調諧VCSEL在980nm附近實現了調諧電壓為7V時，18.8nm的波長連續調諧范圍[19]。

圖7　微機械介質薄膜可調諧VCSEL結構示意圖

2.3　微機械半對稱腔壓電可調諧垂直腔面發射器

半對稱腔壓電可調諧垂直腔面發射激光器的示意圖如圖8所示。與其它結構不同的是，這種器件的上DBR是由可形變薄膜組成的。1998年TAYEBATI等人設計出了曲率半徑為320μm的上DBR反射鏡[20]，在所加電壓為13V的條件下實現了從863nm～833nm共30nm的調諧范圍。

圖8　半對稱腔型可調諧VCSEL結構示意圖

德國達姆施特塔大學的RIEMENSCHNEIDER等人于2003年采用光抽運激勵，制作出中心波長1550nm的半對稱腔可調諧VCSEL，輸出功率為0.5mW，波長連續調諧范圍為24nm[21],如圖9所示。2004年，又將波長調諧范圍增大到40nm[22]。2011年,他們又采用電子束蒸鍍SiOx/SiNy介質薄膜作為彎曲上反射鏡的方法制作出表面微機械可調諧VCSEL,最大輸出功率為3.5mW，邊模抑制比為45dB，調諧范圍達102nm。圖10中,Lair為空氣層長度，Ls為半導體長度，LDBR,t為光場在上DBR中穿透深度，LDBR,b為光場在下DBR中的穿透深度，w0為光束束腰。

圖9　雙片集成微機械可調諧VCSEL結構示意圖

圖10　表面微機械可調諧VCSEL結構截面示意圖

2.4　液晶可調諧VCSEL

隨著可調諧VCSEL研究的深入，2006年,法國布列塔尼歐洲大學光學系的LEVALLOIS和CAILLAUD等人研制出了第1個工作在C波段的非機械式可調諧VCSEL。如圖11所示，器件主要由五部分組成：上下襯底、上下DBR和相位調制層。下DBR采用InP/In0.63Ga0.37As0.8P0.2材料生長在InP襯底上，上DBR采用電子束蒸鍍SiO2/TiO2介質薄膜，沉積在玻璃襯底上。相位調制層由聚合物分散型液晶組成，光學厚度為波長的6倍，提供一個各向異性的折射率變化來調諧激光器的出射波長。對液晶層施加電壓，液晶在電壓的作用下o光的折射率不變，e光的折射率減小，兩束光對應的諧振腔長度發生改變，在激光器中所對應的腔模波長分離，從而實現波長調諧。所制造的中心波長1550nm的激光器在調諧電壓為0V～150V的情況下實現了大約10nm的調諧范圍，邊模抑制比大于20dB[24]。

圖11　納米聚合物分散液晶可調諧VCSEL結構示意圖

液晶和VCSEL芯片的組合方式可以有效控制出射光的波長[25]和偏振狀態[26]，液晶分子的方向則是通過施加電壓控制。從技術層面上考慮，將液晶置于VCSEL外比內腔液晶VCSEL技術上更易實現。

圖12是外腔液晶VCSEL結構示意圖。它是由比利時根特大學的XIE和BEECKMAN等人于2012年研制的[27]。圖中，λ為波長，d為液晶厚度。圖12a中包含了VCSEL、間隔物、正負電極和玻璃基板。850nm單模VCSEL(ULM850-singlemode)被放置在液晶盒中，芯片的尺寸是250μm×250μm×150μm。上ITO層使用光刻圖案來定義VCSEL的陽極以及給液晶層施加電壓的電極。左右氧化玻璃(indiumtin oxide,ITO)層間的間距是4μm。一層偶氮染料SD1被旋轉涂布于上基底，作為液晶的配向膜。硅間隔物位于上下ITO電極之間，直徑是30μm±0.1μm。液晶層的厚度由這些間隔物的直徑決定。在圖12b中，用線偏振紫外(ultraviolet,UV)光照射液晶盒，分子的定向遵循紫外偏振光的方向，這使得液晶分子平行排列，如圖12c所示。圖12d中是加電壓后液晶分子的排列情況。通過在液晶層施加電壓可以控制出射激光的偏振態，當所加電壓接近液晶的閾值電壓時，則偏振態主要由激射光的角度決定。

圖12a—VCSEL示意圖b—制作步驟c—液晶分子的排列方向d—不加和加電壓下的液晶

該團隊于2014年又制備了液晶層厚度更薄的外腔液晶VCSEL器件[28]，如圖13a所示。液晶層的厚度也就是硅間隔物的直徑是10μm±0.1μm。頂部介質反射鏡由多個周期性的SiO2/Ta2O5雙層膜組成，它們的厚度分別為120nm和84nm。介質反射鏡和頂部玻璃襯底的透射率如圖13b所示。圖13c圖所示是液晶指向矢的角度以及兩種偏振狀態。Px,Py分別為x方向和y方向的偏振,θ為液晶分子偏轉的角度。調諧加在液晶層上的電壓使液晶的折射率發生變化，外腔的光學厚度隨之改變，達到調諧波長和偏振態的目的[29]。所使用的E7液晶在厚度為20μm的條件下達到了2nm的波長調諧范圍。

3　結束語

圖13a—VCSEL示意圖b—頂部玻璃基板介質薄膜的透射率c—液晶指向矢和VCSEL的兩種偏振模式

采用靜電激勵方式的可調諧VCSEL具有較快的響應速度，通過減小空氣隙的長度，波長藍移，但由于存在1/3定則限制了VCSEL的波長調諧范圍。壓電激勵的方式可以克服這一定則限制，得到更寬的波長調諧范圍。另外壓電激勵能夠消減靜電方式由于吸合效應對MEMS系統造成的不可逆轉的損壞。熱電激勵的方式是通過增大空氣隙的長度、波長紅移[30]、電熱效應引起的溫度變化增加了系統的不穩定性。上述懸臂梁和薄膜結構的VCSEL在調諧過程中易受到溫度、振蕩等外界因素的影響，性能不穩定且制作成本高昂。通過改變腔體折射率的液晶調諧方式能夠彌補這些缺點，獲得連續穩定的波長輸出，但由于液晶自身折射率的限制導致波長調諧范圍較小。

隨著研究的深入和工藝技術的提高，可調諧VCSEL的性能得到了極大的改善。目前，大多數MEMS結構和液晶結構的可調諧VCSEL都具有邊模抑制比高、波長穩定輸出、封裝技術易于實用化等特點。可調諧VCSEL在實驗室中可模擬整個波段的單波光源進行相關實驗，在DWDM光通信中可自動實施通道層的保護。可調諧VCSEL在光網絡中可根據波長的具體使用情況選擇所需波長的光，這極大地節約了成本、增強了光網絡系統的靈活性和便捷性。隨著市場與技術的雙重驅使，相信在不久的將來可調諧VCSEL定會以極高的性價比在光通信等領域中得以廣泛地應用。