垂直腔面發(fā)射激光器（Vertical-cavity surface-emitting laser，VCSEL）是一種在與半導(dǎo)體外延片垂直方向上形成光學(xué)諧振腔、發(fā)出的激光束與襯底表面垂直的半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，具有尺寸小、功耗低、效率高、壽命長、圓形光束以及二維面陣集成等優(yōu)勢。近年來，由于VCSEL的市場迅速發(fā)展，針對不同的應(yīng)用需求，VCSEL的功率、速率、能效以及高溫穩(wěn)定等性能都有了長足的進步，從而拓展了VCSEL的應(yīng)用領(lǐng)域。
近日，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所王立軍院士、寧永強研究員團隊在《發(fā)光學(xué)報》（EI、核心期刊）發(fā)表了題為“垂直腔面發(fā)射激光器研究進展”的綜述文章，共同第一作者是博士研究生張繼業(yè)和李雪。該綜述重點介紹了VCSEL的研究歷程，簡述了其在高功率、高速、高溫下工作等方面的研究進展，期望對從事該領(lǐng)域研究的學(xué)者和研究生有所幫助。
1. 引言圖1 VCSEL的應(yīng)用
半導(dǎo)體激光器是信息化社會最具有代表性的關(guān)鍵光電子器件之一，已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。研究人員在邊發(fā)射激光器的研制過程中遇到了陣列制備工藝復(fù)雜、器件測試?yán)щy以及輸出模式和波長難以控制等問題。因此，日本東京工業(yè)大學(xué)教授K. Iga提出的VCSEL得到了各方研究人員的重視。
自1990年以來，伴隨著VCSEL器件性能的不斷提高，VCSEL已經(jīng)得到了市場的廣泛認(rèn)可，其應(yīng)用領(lǐng)域也呈爆炸式增長（圖1）。隨著激光泵浦、醫(yī)療、軍事以及材料加工等應(yīng)用領(lǐng)域的需求日益增長，高功率VCSEL 成為很重要的一個研究方向。同時，由于先進駕駛系統(tǒng)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與5G通信技術(shù)等應(yīng)用愈發(fā)成熟，信息的急劇增加產(chǎn)生了對數(shù)據(jù)帶寬大幅增長的需求，而高速VCSEL因其在光互連和光數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用而成為全球研究的熱點。而能應(yīng)用在光互聯(lián)、3D傳感、車載雷達、原子鐘等領(lǐng)域，緣于VCSEL的關(guān)鍵特性：穩(wěn)定的高溫性能和對溫度變化的不敏感。為滿足這些應(yīng)用需求，高溫穩(wěn)定工作、可靠性高的VCSEL近年來越來越受到關(guān)注。
2. VCSEL在高功率、高速及高溫下工作的研究進展
自1996年以來，VCSEL器件在功率性能方面的研究發(fā)展迅速。在國內(nèi)，中科院長春光機所通過研究和創(chuàng)新，在國際上首次實現(xiàn)了1.95 W單管VCSEL連續(xù)輸出，隨后又將VCSEL陣列式脈沖輸出功率提高到210 W。經(jīng)過國內(nèi)外的不懈努力，VCSEL器件的輸出功率已經(jīng)達到上千瓦，在紅外照明、泵浦光源、工業(yè)加熱、LiDAR以及3D傳感等應(yīng)用領(lǐng)域的市場規(guī)模也迅速增長。然而，高功率VCSEL單管或陣列器件均為多橫模輸出，導(dǎo)致輸出光束質(zhì)量很差。為了改進光束質(zhì)量，國內(nèi)外研究人員采用了環(huán)形電極、光柵、微透鏡、光子晶體以及外腔等技術(shù)。
針對高速VCSEL的研究，期望獲得高的調(diào)制帶寬，這就需要降低寄生電容、阻尼和熱效應(yīng)等限制因素對調(diào)制帶寬的影響。國內(nèi)外研究人員通過優(yōu)化DBR中的導(dǎo)帶和價帶界面及摻雜分布、在信號焊盤下面使用低介電常數(shù)的厚聚絕緣材料作為支撐物、引入多個深氧化層以及質(zhì)子注入等方式，850 nm波長的高速VCSEL實現(xiàn)了超過了50 Gbps的無誤碼傳輸、28.2 GHz的調(diào)制帶寬。針對980 nm和1 100 nm波長，高速VCSEL由于采用InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱作為有源區(qū)，最終實現(xiàn)了35 GHz的調(diào)制帶寬。
原子鐘和光互聯(lián)所應(yīng)用的光源需要VCSEL器件在高溫環(huán)境下工作，所以穩(wěn)定的高溫性能是必不可少的關(guān)鍵因素。這需要從VCSEL芯片表面刻蝕微結(jié)構(gòu)及增益失諧設(shè)計等方面進行優(yōu)化。針對原子鐘的應(yīng)用光源，中科院長春光機所通過一系列的創(chuàng)新實驗，在國內(nèi)首次實現(xiàn)了795 nm/894 nm VCSEL高溫下高效率工作。而在光互聯(lián)應(yīng)用方面，經(jīng)過國外研究機構(gòu)的優(yōu)化后，VCSEL器件結(jié)構(gòu)在高溫下仍能完成60 Gbps無誤碼數(shù)據(jù)傳輸。并且新結(jié)構(gòu)、新材料和新技術(shù)的引入進一步提高了VCSEL的輸出性能，從而拓展了VCSEL的應(yīng)用領(lǐng)域。
3. 展望
雖然VCSEL在高功率、高速、高溫穩(wěn)定等性能方面已經(jīng)有了一些突破性的進展，但是仍存在著一些重要的科學(xué)和技術(shù)問題亟待解決。
（1）高功率VCSEL的研究
高功率VCSEL的輸出功率在幾百毫瓦到幾千瓦之間，裕度達到了4個數(shù)量級，但是隨著輸出功率的增加，很難保持良好的光束質(zhì)量。然而，針對LiDAR等汽車應(yīng)用迎來的機遇，對功率和光束質(zhì)量有著更高的要求。
（2）高速VCSEL的研究
近幾年的研究報道顯示，短波長高速VCSEL的調(diào)制帶寬接近了常規(guī)氧化物限制VCSEL的極限，即35 GHz，并且其調(diào)制速率的提升依賴于調(diào)制方式和電子驅(qū)動設(shè)備的技術(shù)進步。而今后高速VCSEL的研究還需要向長波長方向延伸，即1 310 nm和1 550 nm，其光纖損耗遠小于短波波段的損耗，可以將通信距離延伸至20 km以上。但是在該波段，VCSEL芯片外延生長有較大難度，因此長波波段高速VCSEL還沒有廣泛應(yīng)用于光互聯(lián)。
（3）高溫工作VCSEL的研究
原子鐘和光互聯(lián)所應(yīng)用的光源是高溫工作VCSEL器件最具有代表性的應(yīng)用方向。然而，VCSEL的性能在高溫下會嚴(yán)重退化，導(dǎo)致閾值電流增大，斜率效率降低，并且諧振載流子光子相互作用的本征阻尼也會影響VCSEL的調(diào)制速度。高溫工作下可靠性高的VCSEL器件將是未來研究的重點。
總之，從數(shù)據(jù)通訊到智能傳感，VCSEL的應(yīng)用市場日益多樣化，其正在成為支持當(dāng)前和未來信息社會不可或缺的關(guān)鍵組件。
作者簡介（通訊作者）
寧永強，博士，研究員，博士研究生導(dǎo)師。1999年于中科院長春物理所獲得博士學(xué)位，2009年度被推薦為新世紀(jì)百千萬人才工程國家級人選，2015年獲科技部創(chuàng)新人才推進計劃“大功率半導(dǎo)體激光器重點領(lǐng)域創(chuàng)新團隊”，擔(dān)任團隊負責(zé)人。2015年獲得吉林省技術(shù)發(fā)明一等獎。近年來在大功率垂直腔面發(fā)射激光研究中，率領(lǐng)團隊于2014年研制出210W高峰值功率VCSEL列陣器件(Japanese J. Applied Physics, 2014年7月)，美國Semiconductor Today（2014年7月）以“垂直腔面發(fā)射激光集成面陣輸出功率210 W”為題專文進行了評述。在芯片原子鐘專用高溫垂直腔面發(fā)射激光方面，組織團隊突破InAlGaAs等新材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與制備等問題，在國內(nèi)首次實現(xiàn)了795 nm/894 nmVCSEL在高溫（>70 ℃）下高效率工作。
王立軍，研究員，中國科學(xué)院院士，博士研究生導(dǎo)師，１９８２ 年于吉林大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事激光技術(shù)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究。
文章信息
張繼業(yè), 李雪, 張建偉, 等. 垂直腔面發(fā)射激光器研究進展[J]. 發(fā)光學(xué)報, 2020, 41(12):1443-1459.