垂直腔面发射激光器的研究进展及其应用..doc

标题:垂直腔面发射激光器的研究进展及其应用发信站:紫金飞鸿(2002年01月09日16:06:43星期三,站内信件垂直腔面发射激光器的研究进展及其应用王莉陈弘达潘钟黄永箴吴荣汉(中国科学院半导体研究所北京100083摘要:垂直腔面发射激光器VCSEL具有常规半导体激光器不可比拟的优点其光束是园形的易于实现与光纤的高效耦合VCSEL的有源区尺寸可做得非常小以获得高封装密度和低阈值电流适宜的设计可将激光二极管制成简单的单片集成二维列阵以实现二维光数据处理所用的激光源芯片生长后无须解理封装即可进行在片实验由于VCSEL的优良性能从而获得了国内外科技界企业界的高度关注本文对这种器件的性能开发现状及应用作简要的概述关键词垂直腔面发射激光器光纤通信光网络光互连1引言近年来由于人们对于超长距离超高速千兆比特/秒(Gbit/s及至兆兆比特/秒(Tbit/s光纤网络的需求对于高性能低成本光互联网的需求以及对于光学存贮密度的不断提高的要求使一种极其优秀的异型半导体激光器垂直腔面发射激光器(VCSEL应运而生1979年东京工业大学的Iga提出了垂直腔面发射激光器的思想并于1988年研制出首枚VCSEL器件自诞生之日起其优异的性能就获得了人们的青睐科学家们以极大的热情投身到它的研究和开发中去使其蓬勃发展短短的十几年来其波长材料结构应用领域都得到迅猛发展部份产品进入市场据美国CousultancyElectroniCast公司最近预测[1](Vertical-CavitySurface-EmittingLaser简称VCSEL及其阵列是一种新型半导体激光器它是光子学器件在集成化方面的重大突破VCSEL与常规的侧向出光的端面发射激光器在结构上有着很大的不同端面发射激光器的出射光垂直于芯片的解理平面(见图1[2]与此相反VCSEL的发光束垂直于芯片表面(见图2这种光腔取向的不同导致VCSEL的性能大大优于常规的端面发射激光器图1端面发射的常规半导体激光器图2垂直腔面发射激光器这种性能独特的VCSEL易于实现二维平面列阵,而端面发射激光器由于是侧面出光而难以实现二维列阵小发散角和园形对称的远近场分布使其与光纤的耦合效率大大提高现已证实与多模光纤的耦合效率大于90%[2]通常仅约20nm厚的三量子阱发光区夹在称之为Bragg反射器的两组高反射率平面镜之间顶部和底部的Bragg反射器由交替生长的不同X和Y组分的半导体薄层组成相邻层之间的折射率差使每组叠层的Bragg波长附近的反射率达到极高(99%的水平Bragg反射镜中的每层厚度为出射光工作波长的四分之一需要制作的高反射率镜的对数根据每对层的折射率而定激光器的偏置电流流过所有镜面组它们被高掺杂以便减小串联电阻有源区由提供光增益的量子阱结构构成典型的量子阱数为14个量子阱被置于谐振腔内驻波图形的最大处附近以便获得最大的受激辐射效率。/GaAs系列的VCSEL已趋于成熟[1]当GaAs/AlGaAs量子阱VCSEL的腔面积做到22m2时其阈值电流低达90A频率响应40GHz工作效率达47%在误码率(BER<10-12时其传输速率高达到10Gb/.(在1mA驱动电流下上升/-130dB/Hz在集成面阵方面据最新报道:Honeywell公司研制的10834VCSEL集成面阵成品率高达94%