VCSEL概述
摘要：本论文通过对激光及激光器件发展背景的介绍，引入激光器中应用
越来越广泛的半导体激光器。然后对半导体激光器的发展背景及基础原理作简要介绍。因为本论文重点是垂直腔面发射激光器的研究及应用，所以在第三部分主要是对垂直腔面发射激光器的介绍。其中包括，垂直腔面发射激光器的基础原理介绍、特性分析、设计原则以及研究进展等。最后在前面与边发射激光器的充分比较的基础上，得出垂直腔面发射激光器的特性优势和研究前景，并且详细介绍了垂直腔面发射激光器在光通信、光存储、光计算和光互联等信息技术发展方面的广泛应用。
一、激光器的发展
年爱因斯坦提出了一套全新的技术理论‘受激辐射’。这一理论说明在组成物质的原子中，有不同数量的电子分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，从高能级跃迁到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。
年7月7日，梅曼研制成功世界上第一台激光器，梅曼的方案是，利用一个高强闪光灯管，来刺激在红宝石色水晶里的铬原子，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使其达到比太阳表面还高的温度。
到目前为止，激光产业得到空前发展，制造出了各种各样的激光产品，其中包括固体激光器、气体激光器、液体激光器以及其他激光器。涉及到医学治疗、工业切割、测量、探测、激光武器、条形码识别等多个领域，具有非常诱人的前景。
二、半导体激光器发展及应用
半导体激光器的发展是从上世纪60年代开始的。当时的半导体激光器主要是同质结激光器，外形类似于晶体二极管，故常被称为二极管激光器，但此种激光器在实际应用中存在很多限制。第二阶段是异质结构激光器，首先是单异质结构激光器，但它因无法实现室温下连续工作而被淘汰，然后出现双异质结构激光器解决了这个问题。年出现了世界上第一个半导体量子阱激光器，大幅度提升了半导体激光器的各项性能。
如图2.1所示，半导体激光器有三种基本结构。第一种结构为基本的p-n结激光器称为同质结激光器。这种结构在结的两端使用相同的半导体材料，沿着垂直于轴的方向劈成一对平行面，外加适当偏压，激光便能从这些平面发射出来。二极管的另外两侧则加以粗糙化处理，以消除激光从这两侧射出的机会，此结构称为法布里-帕罗腔，其典型腔长度约μm。这种法布里-帕罗腔结构被广泛应用于近代半导体激光中。
第二种结构是双异质结构激光，类似于三明治，有一层很薄的半导体被另一种不同的半导体所包夹。
前两种结构是大面积激光，因为沿着结的整个区域皆可发射出激光。第三种结构是长方形双异质结构激光。
半导体的特性主要包括阈值特性和效率、空间模式、线宽、动态特性以及可靠性等。
三、垂直腔面发射激光器（VCSEL）的原理及应用
⑴发展历史：年日本东京工学院的Iga教授首先提出了面发射
半导体激光器的设想，并且在年应用物理学会的年会上发表了第一篇关于面发射激光器的论文。随着分子束外延(MBE)及金属有机物化学气相沉积(MOCVD)出现，年Iga教授的科研小组制备出了6mA的面发射激光器，并且在年应用MOCVD技术在GaAs衬底上研制出了第一只室温(RT)连续激射(CW)的VCSEL。从20世纪90年代初期开始，VCSEL的研究得到了飞速发展，取得了很多成果。
和国外相比，国内对VCSEL的研究尚处于起步阶段。上世纪90年代初，美国Bellcore公司的T.P.Lee博士回到祖国上海，携带的在光纤通信终端所使用的小巧玲珑的VCSEL组件引起了国内很多研究者的兴趣。目前国内中科院半导体所、长春光学精密机械与物理研究所、北京工业大学等单位都在进行VCSEL的研究工作，但主要集中在0.85μm和0.98μm波段。
⑵基本机构：顾名思义，边发射激光器是沿平行于衬底表面、垂直于解理面的方向出射，而面发射激光器其出光方向垂直于衬底表面，如图3.1和3.2所示：
在面发射激光器中最常见的类型是垂直腔型面发射激光器(VCSEL)，其由三部分组成:上分布布拉格反射器(DistributedBraggReflector，即DBR)、谐振腔和下分布布拉格反射器。DBR是由折射率不同的两种薄膜构成的多层膜系，每层膜的光学厚度是四分之一波长，一组DBR一般由20-40对薄膜组成。谐振腔的厚度一般在几个微米左右。与边发射激光器的增益长度相比，VCSEL有源层的增益长度极小(几十纳米)。为了能够实现激射，DBR必须具有很高的反射率(一般大于99%)。根据DBR所使用的材料不同，VCSEL可分为刻蚀阱VCSEL、半导体膜光学膜VCSEL及全外延半导体膜VCSEL等。
⑶特点：由于VCSEL与边发射激光器有着不同的结构，这就决定了两者之间有不同的特点和性能，下表中列出了两种激光器的基本参数。
从表中我们可以看出，VCSEL有源区的体积小、腔短，这就决定了它容易实现单纵模、低阈值(亚毫安级)电流工作，但是为了得到足够高的增益，其腔镜的反射率必须达到99%。VCSEL具有较高的弛豫振荡频率，从而在高速数据传输以及光通信中，预计将有着广泛的应用。VCSEL出光方向与衬底表面垂直，可以实现很好的横向光场限制，进行整片测试，得到圆形光束，易与制作二维阵列，外延晶片可以在整个工艺完成前，节约了生产成本。
VCSEL的优点主要有:
l.出射光束为圆形，发散角小，很容易与光纤及其他光学元件耦合且效率高。
2.可以实现高速调制，能够应用于长距离、高速率的光纤通信系统。
3.有源区体积小，容易实现单纵模、低阈值的工作。
4.电光转换效率可大于50%，可期待得到较长的器件寿命。5.容易实现二维阵列，应用于平行光学逻辑处理系统，实现高速、大容量数据处理，并可应用于高功率器件。
6.器件在封装前就可以对芯片进行检测，进行产品筛选，极大降低了产品的成本。
7.可以应用到层叠式光集成电路上，可采用微机械等技术。
⑷设计：为了实现粒子数反转和阈值条件，以使激光器产生相干
辐射输出，除了需要有直接带隙半导体有源介质外，光子反馈谐振是实现上述条件的根本保证，也是半导体激光器与半导体二极管的区别所在。实现这种反馈谐振的机构叫光学谐振腔。按结构，可以分为内腔和外腔。按光波遭受反射的位置，又可分为集中反馈和分布反馈。所谓集中反馈是光波在有确定的反射率和位置的谐振腔面上被反射。而分布反馈则是在光波传播过程中连续的被反馈，如分布反馈半导体激光器和分布布拉格反射激光器就是这样。还可以按反射面的对不同的波长的反射情况分为均匀反馈和选择反馈。所谓选择反馈是反射面对不同波长有不同的反射率。理想的激光器反馈应该是后端面的反射率为1，而前端面的反射率根据增益区的长度、内量子效率等选择一最佳反射率。这可以通过在解离面后端面上镀以增反膜，在前端面上镀适当透过率的光学膜实现。
VCSEL的激光腔的方向垂直于半导体芯片的衬底，有源层的厚度为谐振腔长度。如此短的谐振腔除了使其易于实现动态单纵模工作外，还提供了VCSEL工作时的高品质因数。品质因数Q是用来衡量谐振腔储存信号能量的能力，它被定义为:
式中v为光波的频率，w为腔内存储的光能量，dw/dt表示腔内每秒损耗的能量。
VCSEL的增益长度较传统的边发射型激光器短很多，在这么短的增益长度中，要获得足够高的增益，就必须依赖高质量的腔镜，这就给外延生长增加了很大的难度。为了实现高质量、高Q值的腔镜，VCSEL采用了分布布拉格反射镜(OBR)结构。目前人们主要采用半导体反射镜，利用高低折射率半导体材料多层相间生长，形成人0/4膜堆，实现99.5%以上的反射率，并可以单片形成VCSEL结构，同时允许电流通过反射镜注入。但这种结构由于高低折射率材料间形成了异质结，使得反射镜的串联电阻增加，严重地影响VCSEL的性能，甚至造成VCSEL不能激射。为了降低反射镜的串联电阻，很多研究者用渐变DBR结构来实现低电阻，获得了较低的串联电阻，收到了良好的效果。为了获得高质量的器件，在提高腔镜反射率的同时，还必须设法提高有源区的增益，为此大多数研究者均采用了多量子阱结构提高有源区的增益。
图3.3为VCSEL中DBR的反射率谱。图中的高反带区域中有一个凹陷位置，此位置是高反带中的透射极大值，所对应的波长即是腔模波长，即此处的光场经过DBR的反射和腔的谐振，实现光场的输出。由于在实际生长过程中，各外延层厚度与设计值存在偏差，从而导致腔模波长与设计的中心波长有一些偏离。在中心波长两侧存在对称的峰值，峰值两侧反射率迅速下降，在峰值波长范围内的光只能在腔内振荡，不能形成输出光。图中明显的“凹陷”图样，这是多层DBR微腔激光器的固有特性。随着DBR层数的增加，这个小区域将变得更窄，说明多层DBR具有严格的选模作用，因此多层DBR有利于微腔激光器实现窄线宽的光束输出和某一频率范围内真空场的增进。量子阱的限制作用减弱了载流子的自由运动，使电子的公有化程度变弱，相同数量载流子在量子阱填充的费米能级高于半导体体材料，同时量子阱的存在破坏了晶体的各向同性，这样引起TE模自发发射跃迁增强；另一方面，由于DBR的反射率因波长不同而变化，其在一定频率范围内接近全反射，于是VCSEL中真空场存在各向异性，它能够使窄频率内电子和空穴复合向某一方向辐射的光子增多，因此在量子阱和DBR微腔的共同作用下，量子阱VCSEL总的自发发射谱强度约相当于自由空间下半导体材料的10倍。
VCSEL有源区的材料及其对应波长VCSEL的材料体系分为两部分:一部分是有源区的材料体系，另外一部分是DBR的材料体系。在下图3.4中列出了VCSEL对应不同波长的有源区材料体系。
GalnN/GaN体系的材料可以延伸到紫外光波段，从而可以应用到光盘及一些显示设备上。
另有一些科研工作者考虑采用II-VI族的一些化合物来制备光盘中的绿光VCSEL，但是除了InP基CdZnSe及相应的GaN基材料体系，其他的材料体系的研究进展较慢。在VCSEL中，DBR反射镜既可以采用光学薄膜,也可以采用半导体薄膜。两种不同的光学膜可以具有很高的折射率差，几对DBR可以得到很高的反射率，但是光学薄膜本身不导电，对电流注入均匀性有影响。GaAs/AIGaAS是目前为止应用最为广泛、最为成熟的DBR材料体系。两种材料具有高的折射率差(△n)，在20-30对之间就可以获得很高的反射率。而在InP基的VCSEL中，InGaASP/InP、AlGalnAs/InP四元系材料热导率低，折射率差小，为获得高的反射率就需要很多对DBR(30对)，给材料的生长带来了困难。这使得长波长(1.3μm和1.55μm)VCSEL的发展远没有短波长(0.85μm和0.98μm)VCSEL迅速。
四、总结
从年人类首次制造出激光器并成功发射激光开始，人们认识到了激光重要特性和激光器的广泛应用前景。从此，激光器的研究受到世界各国科学家和科研爱好者的青睐。并且在短短的50年内研制出气体激光器、固体激光器、液体激光器、半导体激光器等。由于近年来信息技术的高速发展，人们对信息传输速率和可靠性的要求越来越高，于是光纤通信应运而生。而光纤通信系统的存在离不开半导体激光器的关键支撑，所以半导体激光器得到了充分的研究和发展。
目前用于光纤通信和光信息处理的半导体激光器中应用最有前景的便是本文介绍的重点—垂直腔面发射激光器(VCSEL)。VCSEL自问世以来，成为许多应用领域特别诱人的光源，如在光通信，光计算，光互联，激光打印及光存储等方面。VCSEL的主要优点是其低成本的制作与封装，低驱动电流，低发散角的圆形光束及可实现一维(1D)、二维(2D)高密度集成。近几年来，性能优异的氧化物限制型VCSEL不断被发现，主要涉及其低阈值电流，高输出功率，高电光转换效率，低工作电压，高调制带宽和高产额。