垂直腔面發射激光器低溫光電特性*

秦璐 任杰 許興勝 ?

1) (中國科學院半導體研究所 集成光電子學國家重點實驗室, 北京 100083)

2) (中國科學院大學 材料與光電研究中心, 北京 100049)

垂直腔面發射激光器通常被用作常溫下850 nm波段短波長短距離光互連領域的激光光源, 多在室溫下進行測試和使用.在低溫環境下垂直腔面發射激光器工作狀態的表征是本文的研究重點.我們表征了在不同溫度下直流驅動垂直腔面發射激光器的發光光譜和10%占空比脈沖電流驅動垂直腔面發射激光器的發光光譜和功率-電流-電壓曲線.通過測試激光器在室溫和10 K溫度下性能的變化, 證明了現有的垂直腔面發射激光器在低溫下仍能工作, 激光器在10 K低溫環境下仍可以作為光互連的光源使用, 這一特點使得該激光器的應用范圍可拓展至低溫領域, 預示著垂直腔面發射激光器在低溫光互連系統中具有應用價值.

1 引 言

垂直腔面發射激光器[1](vertical-cavity surfaceemitting laser, VCSEL)是一種常用的微腔激光器.在量子阱兩側通過材料淀積生長20對以上的分布式布拉格反射鏡(distributed Bragger reflector, DBR)結構, 每對 DBR 具有高反射系數(每側反射率可以達到99%以上), 形成具有較高品質因子(Q值)的微腔激光器結構.1979年,日本東京工業大學Kenichi Iga教授團隊實現了77 K下InGaAs/InP基VCSEL脈沖激射激光器, 閾值電流為 900 mA[2].2001年, Kucgta 等[3]報道的氧化孔限制型850 nmVCSEL的調制速率達到了20 Gb/s.2003年, 電注入的GaInNAsSb VCSEL實現脈沖激射, 激射波長為 1.46 μm, 工作溫度為–10 ℃[4].Moser等利用 GaAs材料制備了波長為850 nm 的 VCSEL, 并實現了 81 fJ/bit低功耗高速調制[5].2006年, Suzuki等報道了波長為 1.1 μm的 VCSEL, 調制速率達到 25 Gb/s[6]; 2007年, 該課題組再次利用掩埋隧道結構將VCSEL的調制速率進一步提高到 30 Gb/s[7].隨后, Chang 等利用氧化孔限制結構將980 nm的VCSEL的調制速率提高到 35 Gb/s[8]; 同年, Anan 等研制的 GTJ結構的VCSEL的調制速率接近40 Gb/s[9].VCSEL的高速特性的研究快速發展, 研究熱點主要集中在850 nm和980 nm兩個波段, 向高速率、低功耗和高溫度穩定性三個方向發展[10,11].2011年, Mueller等報道了波長為1550 nm直接調制帶寬為17 GHz的短腔VCSEL, 實現了35 Gb/s的無誤碼大信號傳輸[12].2013年, Dalir和 Koyama 制備了波長為980 nm 的 VCSEL激光器, 并實現了 29 GHz 的調制帶寬[13]; 同年, Westbergh 等研制的 850 nm 氧化孔限制的 VCSEL在 25 ℃下在 back-to-back模式下調制速率達到57 Gb/s的無誤碼傳輸[14].VCSEL內有源層的發光在DBR諧振腔中形成諧振增強, 氧化孔對注入電流和激光起到限制作用.多年來, VCSEL從起初在低溫77 K下工作、閾值電流高達900 mA發展至今, 已經可以實現在室溫下高速穩定工作, 其閾值電流大幅降低.雖然VCSEL激光器主要工作于常溫, 但其在低溫領域的應用值得重視.目前為止，較大溫度變化范圍和低溫環境下激光器的光電特性的研究報道很少.在低溫環境中, 低溫可降低器件發熱造成的損傷, 提高器件性能.VCSEL自實現產品化以來, 常溫下應用是其主要目標, 在低溫下的研究和應用很少, 而這并不意味VCSEL激光器的應用只能在室溫環境.隨著低溫技術的發展和低溫環境下應用需求的增長, 人們對低溫信息互聯的需求也在增加.在低溫領域,VCSEL作為光互連高速光源也將有重要的應用前景.

在激光器使用過程中由于驅動電流的注入使得激光器發熱, 溫度的升高會導致激光器的光電特性改變, 降低激光器的使用壽命.在本文的實驗中,主要測試激光器在低溫環境下的工作特性, 獲得激光器的低溫工作特性和結構參數的關系, 研究結果將對激光器在低溫環境下的應用條件和結構設計與改進提供依據.本文將測試并研究商用的VCSEL在295 K至10 K的環境中的激射光譜和功率-電流-電壓曲線, 證明VCSEL仍能作為低溫光互連的光源使用.我們采用成熟的商用VCSEL進行低溫光電特性研究, 低溫環境下VCSEL激光穩定輸出, 是對成熟的室溫使用的VCSEL器件低溫光電特性的有效驗證, 將拓展室溫下常用激光器的使用溫度范圍.

2 直流驅動模式下的光譜和功率-電流-電壓特性

2.1 測試環境

實驗使用的低溫設備為Janis公司的無液氦低溫致冷設備, 可以降溫到最低 4.2 K.VCSEL 激光器被固定在低溫真空腔室中, 通過外接脈沖電壓源對其進行泵浦.在腔室外, 我們搭建了空間光路用以將出射激光導入光譜儀.其中, 低溫腔的真空度保持為 10–6mbar.脈沖電壓源給激光器提供 1.5 V直流驅動電壓.

2.2 直流驅動下激光器光電特性的測試

我們測試了從295 K到10 K降溫過程中激光器的發光光譜和功率-電流-電壓曲線.通過測試的激光器的發光光譜, 研究激光器光學特性隨溫度降低的變化規律.本文實驗使用的激光器為常規商用的GaAs基、發光中心波長為850 nm的VCSEL激光器, 當激光器注入電流導致溫度升高時, 激光器性能受到影響[15].由于激光器工作時溫度升高, 中心波長發生紅移, 為了保證激光器的中心波長穩定在850 nm, 器件的設計波長一般略低于 850 nm.相反, 隨著溫度降低, 激光器發光波長會產生藍移, 這種變化規律為激光器的設計和應用提供了參考.

實驗中, 我們研究了隨著溫度的降低激光器工作特性的變化.測試發現, 隨著溫度的降低, 激光器的閾值電流不斷上升.當溫度降低到10 K時,激光器線性工作驅動電流已經達到20 mA左右,而在室溫下工作電流是7—15 mA.室溫下如果激光器工作在20 mA驅動電流的條件下, 就會使得激光器無法正常工作, 即有可能由于驅動電流過大, 造成器件過熱, 直接損壞激光器.如果室溫下選擇較低工作電流進行測試, 在低溫環境下激光器如果還在同樣的驅動條件下就無法激射, 也就無法測試激射光譜.之所以選擇使用恒定電壓進行器件驅動,因為同樣驅動電壓不同溫度下器件電阻改變，從而對應不同的驅動電流, 使激光器處于相對穩定的線性工作區間.在恒定驅動電壓下測試不同溫度下光譜和功率-電流-電壓曲線并進行對比, 分析得到閾值電流、微分電阻、中心波長等隨溫度下降的變化趨勢.在1.5 V直流驅動電壓下, 激光器的室溫工作電流為15 mA.在降溫的過程中, 保持驅動電壓為1.5 V, 可以使得激光器在直流驅動條件下接近飽和狀態, 使得激光器在發光強度較大,保障其發光光譜能較容易被光譜儀測到.

在降溫測試光譜過程中, 保持驅動電壓不變,收集光路保持準直, 以5 K步長進行降溫, 測試不同溫度下激光器的發光光譜.從室溫295 K開始降溫, 不同溫度下測得的光譜如圖1(a)所示.保持直流驅動電壓不變, 溫度持續下降到10 K, 此時光譜強度是295 K下的4倍.在整個降溫過程中, 激光器都能在直流驅動下正常工作.

圖1 (a)不同溫度下直流驅動垂直腔面發射激光器光譜; (b)直流驅動下激光器發光光譜的中心波長隨溫度變化情況Fig.1.(a) The spectra of VCSEL at different temperatures with direct-current supply; (b) the variation of the center wavelength at different temperatures with direct current.

我們測試了不同溫度下的激光光譜, 并對這些光譜采用了洛倫茲函數進行擬合.擬合使用的洛倫茲函數公式為

其中λc為光譜中心波長,w為光譜的寬度,Aamp為光譜的相對強度.激光器所處的低溫腔的溫度連續下降.溫度從 295 K 下降到 265 K 過程中, 激光器光譜中心波長λc從 846.8 nm 紅移至 847.6 nm, 然后從 265 K下降到 10 K 過程中,逐漸藍移至波長 842.2 nm, 如圖1(b)所示.

從圖1(b)可以看出, 中心波長在295 K到10 K之間的總體變化趨勢向短波長移動, 這主要是由溫度對器件的影響引起的.本文實驗中使用的是常規VCSEL激光器, 購買自Finisa公司, 光譜中心波長為 850 nm, 帶寬大于 1 GHz, 驅動電流為7—15 mA, 額定功率為 1.5 mW.該激光器是TO封裝的GaAs基量子阱激光器, 工作在850 nm的VCSEL結構, 主要包括在GaAs/AlGaAs量子阱有源層兩側交替生長GaAs/AlGaAs DBR反射層, GaAs/AlGaAs量子阱作為有源發光材料位于上下DBR層中間部分[16,17].我們測試和分析了在大范圍溫度變化過程中該VCSEL光源的光電特性.DBR反射鏡層和有源材料的折射率隨溫度變化而變化, 增益譜和對應腔模均會隨著溫度的變化而變化[18?21].當溫度升高, 量子阱材料帶隙變窄,增益譜發生紅移, 同時腔模模式也向長波長移動.隨著溫度升高, 電子-空穴復合概率降低, 非輻射復合概率增大, 非輻射復合產生熱量, 從而降低激光器的內量子效率.另一方面, 當溫度下降, 半導體帶隙變寬, 增益譜和腔模模式均向短波長方向移動, 增益譜隨溫度的移動速度一般快于腔膜模式隨溫度的移動速度, 增益譜和腔膜匹配關系示意圖如圖2所示.

在295 K到265 K之間，測得器件中心波長產生了紅移.紅移現象主要是由于在較高溫度環境下電流注入導致器件局部升溫造成的.在295 K下降到265 K的過程中, 由于激光器處于較高溫度狀態，激光器局部發熱, 器件局部熱量和低溫腔交換速率較慢, 器件局部溫度升高, 導致激光器中心波長紅移.在265 K附近, 激光器局部發熱受到低溫環境的影響最小, 激光器中心波長達到最大值 847.6 nm.當溫度進一步降低, 激光器的中心波長也隨之藍移, 這一現象主要是由于激光器腔模模式和增益譜中心波長藍移引起的.當環境溫度低于265 K, 由驅動電流引起的局部發熱被低溫環境逐漸抵消, 激光器有源區紅移效果逐步減弱, 隨著溫度的持續下降, 有源層增益譜中心波長開始藍移, 腔模模式同時向短波長方向移動, 藍移效果逐漸增強, 激光器的中心波長由于這兩種因素的共同影響向短波長方向移動.在低溫腔降溫過程中, 保持激光器的驅動電壓不變, 局部升溫產生的熱量近似不變, 但是低溫腔溫度會持續降低.隨著環境溫度的降低, 激光器與環境熱量交換速率加快, 腔體降溫吸收熱量的速率逐漸大于激光器局部產熱的速率, 激光器從265 K繼續降溫時，發光中心波長逐漸藍移, 這一過程將一直持續到測試的極限溫度4.2 K.商用VCSEL激光器在10 K環境中仍能正常工作, 與室溫下的激光譜相比, 其藍移波長只有 5.4 nm, 激光穩定輸出.

圖2 室溫條件下的增益譜線與腔膜模式匹配示意圖Fig.2.Schematic diagram of cavity mode and spectrum of VCSEL.

如圖3(a)所示，在 295 K—10 K 溫度范圍，我們測得激光器激射光譜的寬度隨溫度降低基本保持在 0.6 nm 左右, 波動范圍為 0.5—0.75 nm, 波動幅度為 0.25 nm, 在 294—125 K 溫度范圍內, 激光器發光光譜的光譜寬度基本保持不變.隨著溫度降低到125 K以下, 激光光譜寬度呈現下降趨勢,在 10 K 左右達到 0.55 nm.

GaAs基VCSEL激光光譜的相對強度Aamp隨溫度下降呈增長趨勢, 如圖3(b)所示, 在295 K到 265 K 之間存在一個尖峰, 從 265 K 到 50 K 之間光譜強度呈緩慢上升趨勢, 在50 K到10 K之間, 光譜強度快速增加.激光器發光光譜強度在10 K左右可以達到 250 K時的 4倍.光譜強度在265—290 K 之間存在峰值, 峰值出現在 280 K.由圖1(b)可以發現, 在265—295 K這一溫度范圍內發光光譜中心波長發生了紅移.激光器的腔模模式和增益譜線均具有隨溫度升高向長波長移動、隨溫度降低向短波長移動的規律, 但是二者隨溫度的移動速度不同.265—295 K的溫度區域中器件的電流注入引起局部升溫現象占主導, 初始腔模模式在增益譜譜線右側.由于增益譜線與腔膜模式均發生紅移, 增益譜線隨溫度升高紅移移動速度快于腔模模式隨溫度升高的紅移速度, 增益譜線和腔膜模式在 280 K 匹配最佳, 進而得到 265—295 K區域之間的光譜峰值較高.在280 K后溫度繼續下降,腔模和增益譜線不再完全匹配, 導致激光器發光強度下降.在260 K后, 激光器主要處在不斷降溫過程中, 環境的降溫過程占主導, 激光器的增益譜線和腔模同時藍移.隨著溫度降低, 電子-空穴非輻射復合概率降低, 輻射復合概率增加, 量子阱材料發光的內量子效率增加, 導致從260 K到50 K降溫區間發光光譜強度不斷增加.在50 K到10 K的降溫區間中, 激光器發光強度增長, 這種現象不僅與溫度降低器件量子效率增加相關, 也和溫度降低導致器件內部結構變化有關, 在小于50 K低溫下觀察到了激光器出射光斑改變的現象.

3 脈沖驅動模式下的光譜及功率-電流-電壓特性

3.1 脈沖電流驅動下的激光器光譜

直流驅動激光器會產生明顯的局部升溫, 在較高溫度范圍使激光器發光中心波長產生紅移.局部升溫會增加激光器的串聯電阻, 影響激光器的發光性能.局部發熱會導致器件的熱損傷.為了降低器件局部發熱現象的發生, 我們采用脈沖電流驅動VCSEL進行測試, 其中基本測試環境和2.1節中的一致.

圖3 直流驅動下激光器發光光譜隨溫度的變化 (a) 激光光譜寬度隨溫度變化情況; (b) 激光強度隨測試溫度的變化Fig.3.The variation of spectral parameters at different temperatures with direct current.(a) The spectrum width varying with temperature; (b) the intensity varying with temperature.

在295 K溫度下, 使用低占空比的脈沖電流進行泵浦, 可以有效地減少器件的局部發熱, 保護器件的同時獲得更好的激光器性能.但是降低占空比會引起激光器發光強度的下降, 對比圖4(a)和圖1(a)可以看出, 直流驅動下測試得光譜的強度比10%占空比脈沖電流驅動的測試光譜的強度高6 倍左右.在 10 K 溫度下, 10% 占空比脈沖電流驅動和直流驅動測試得到的器件發光光譜明顯不同.在低溫10 K測試環境下, 直流驅動激光器仍可以保持激射狀態, 且發光強度比常溫更強.但是在電壓幅值同為1.5 V的10%占空比脈沖驅動下, 器件在低溫25 K附近時已接近激射閾值條件, 如圖4(b)所示, 激射光譜的強度只有250, 且在835 nm附近出現寬光譜熒光包絡.

在10%低占空比、驅動電壓為1.5 V的測試條件下, 圖4(c)所示的激光光譜的中心波長λc隨溫度下降的藍移過程可以近似為線性變化, 這主要是因為10%占空比脈沖電流驅動條件下激光器受注入電流產生的局部發熱的影響明顯降低, 低溫腔的降溫對激光光譜中心波長藍移起主要作用.如圖4(d)所示，脈沖驅動下光譜寬度w參數隨溫度的變化趨勢與直流驅動測試的圖3(a)中的曲線類似, 隨溫度的降低, 光譜寬度在 0.5—0.8 nm之間波動.相較于直流驅動, 隨著溫度下降, 光譜寬度有所減小, 最小值達到 0.5 nm.

3.2 脈沖驅動下激光器的功率-電流-電壓特性

在激光器測試過程中, 隨著溫度降低, 閾值電流逐漸增加, 在 25 K 時, 同樣的驅動電壓（1.5 V）下, 激光器的驅動電流已經很接近閾值電流, 激光器處于激射和熒光發光的共存狀態, 光譜的波長產生較大藍移.在 11 K 溫度下, 驅動電流為 11.44 mA,根據圖5(a)中的功率-電流曲線得出的閾值電流是 13.41 mA, 此時驅動電流已經低于閾值電流, 激光器處于熒光發光狀態, 所測得的光譜不再是激射光譜, 光譜產生非對稱性變化, 難以采用洛倫茲函數準確擬合.同樣地, 10%占空比脈沖電流驅動下,在 295 K 的環境溫度下, 從圖5(b)中可以看出, 激光器的閾值電流只有 5.04 mA, 11 K 測試情況下的閾值電流是在295 K情況下的2.66倍.從圖5(a)和(b)中的功率-電流曲線可以看出, 即使將占空比降低到10%, 驅動電流的注入仍然不可避免地造成了器件的局部發熱.在295 K條件下, 功率-電流曲線上升到達第一個臺階 (31.47 mA)后繼續上升, 達到峰值39.73 mA后開始下降.而在11 K條件下, 功率-電流曲線經過第一個臺階后功率-電流曲線繼續上升, 沒有達到飽和, 說明在11 K的環境溫度下抵消了更多的熱量, 使得激光器的飽和點向更大的電流方向移動.

圖4 不同溫度下 10% 占空比脈沖電流驅動器件特性測試結果.(a) 295 K 條件下激光光譜; (b) 25 K 條件下激射光譜; (c) 中心波長隨溫度的變化曲線; (d)光譜寬度隨溫度的變化曲線Fig.4.The result of the VCSEL driven by pulse current with 10% pulse duty cycle at different temperatures.(a) The lasing spectrum at 295 K; (b) the lasing spectrumat at 25 K; (c) the relationship between the center wavelength and temperature; (d) the relationship between the spectral width and temperature.

圖5 溫度對10%占空比脈沖驅動的激光器光電特性的影響 (a) 11 K溫度下10%占空比脈沖電流驅動下功率-電流-電壓曲線; (b) 295 K 溫度下10%占空比脈沖電流驅動下的功率-電流-電壓曲線; (c)閾值電流隨溫度的變化曲線; (d)微分電阻隨溫度的變化曲線.Fig.5.The opoto-electrical properties of the VCSEL driven by pulse current with 10% duty cycle at various temperatures.(a)11 K; (b) 295 K; (c) the laser threshold current as function of temperature; (d) the differential resistance as function of temperature.

如圖5(c)所示, 隨著激光器工作環境溫度下降, 閾值電流呈增加的趨勢.這是由于激光器增益譜與腔模模式隨溫度降低以不同速度向短波長方向移動造成的.雖然移動方向一致, 但是移動速度不同, 這導致腔模模式和增益譜之間的間隔隨溫度下降越來越大, 需要更高的能量注入才能使得激光器激射.溫度降低的同時會造成微分電阻升高, 如圖5(d)所示, 在 295 K到 230 K 之間微分電阻(dV/dt)變化較為平緩, 從 230 K 到 11 K 降溫區間微分電阻整體呈上升趨勢, 在11 K溫度下微分電阻為 50 W.

10%占空比脈沖電流驅動測試代表了低頻的脈沖驅動條件, 圖5中的橫坐標電流為激光器峰值電流, 按照占空比進行折算, 平均電流只有其十分之一.使用的VCSEL激光器是商用的高速器件,在光互連網絡中廣泛應用.10%占空比脈沖電流驅動在低溫下的測試結果證明了商用高速激光器在低溫光互連中有著廣闊的應用空間, 可以將室溫的諸多應用擴展到低溫環境中, 為低溫環境的光互連研究提供可靠的高速光源.

4 結 論

我們實驗研究了垂直腔面發射激光器在低溫下的發光特性.激光器隨環境溫度的降低, 激光中心波長呈藍移趨勢.直流驅動下環境溫度降低和注入電流引起的局部升溫之間會發生熱量交換, 導致激光光譜先紅移再藍移.低占空比脈沖電流驅動下激光器由于電流注入發熱較少, 在降溫過程中光譜不會發生紅移.中心波長為850 nm的垂直腔面發射激光器在環境溫度從295 K下降到10 K的過程中, 激光中心波長藍移僅約 5 nm, 并能在 10 K溫度下穩定工作; 激光器光譜寬度近似保持不變,激射光譜強度隨溫度降低而增強; 同時, 激光器微分電阻和閾值電流有所增加.另外, 在低溫下, 較小的直流偏置可以保持激光器的正常工作, 有望實現基于垂直腔面發射激光器低溫光互連.本文著重測試和研究了商用VCSEL在低溫下的發光特性,對商用VCSEL在低溫下作為激光光源、實現低溫光互連具有一定的指導意義.