傳統的光電轉換技術一般采用 LED 等發光器件。這種發光器件多采用邊緣發射，體積大，因此比較難以和半導體技術結合。20世紀 90年代垂直腔表面發射激光 VCSEL 技術成熟后，解決了發光器件和半導體技術結合的問題，因此迅速得到普及。

晶圓光學鏡片中間的兩面發射垂直腔面發射體激光器（VCSEL）

VCSEL技術

垂直腔面發射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，簡稱VCSEL，又譯垂直共振腔面射型雷射）是一種半導體，其激光垂直于頂面射出，與一般用切開的獨立芯片制成，激光由邊緣射出的邊射型激光有所不同。

VCSEL是很有發展前景的新型光電器件，也是光通信中革命性的光發射器件。顧名思義，邊發射激光器是沿平行于襯底表面、垂直于解理面的方向出射，而面發射激光器其出光方向垂直于襯底表面，如下圖：

邊發射激光器（a）與面發射激光器(b)示意圖

它優于邊發射激光器的表現在于：易于實現二維平面和光電集成；圓形光束易于實現與光纖的有效耦合；可以實現高速調制，能夠應用于長距離、高速率的光纖通信系統；有源區尺寸極小，可實現高封裝密度和低閾值電流；芯片生長后無須解理，封裝后即可進行在片實驗；在很寬的溫度和電流范圍內都以單縱模工作；價格低。

VCSEL的優異性能已引起廣泛關注，成為國際上研究的熱點。這十多年來，VCSEL在結構、材料、波長和應用領域都得到飛速發展，部分產品已進入市場。

VCSEL基本結構

VCSEL 的結構示意圖如下圖所示。它是在由高、低折射率介質材料交替生長成的分布布喇格反射器（DBR）之間連續生長單個或多個量子阱有源區所構成。典型的量子阱數目為 3~5 個，它們被置于駐波場的最大處附近，以便獲得最大的受激輻射效率而進入振蕩場。在底部還鍍有金屬層以加強下面 DBR 的光反饋作用，激光束從頂部透明窗口輸出。

實際上，要完成低閾值電流工作，和一般的條型半導體激光器一樣，必須使用很強的電流收斂結構，同時進行光約束和截流子約束。由上圖可見， VCSEL 的半導體多層模反射鏡 DBR 是由 GaAs/AlAs 構成的，經蝕刻使之成為 air-post（臺面）結構。在高溫水蒸汽中將 AlAs 層氧化，變為有絕緣性的 AlxOy 層，其折射率也大大降低，因而成為把光、載流子限制在垂直方向的結構。對 VCSEL 的設計集中在高反射率、低損耗的 DBR 和有源區在腔內的位置。

VCSEL激光器的特點

由于VCSEL與邊發射激光器有著不同的結構，這就決定了兩者之間有不同的特點和性能，下表中列出了兩種激光器的基本參數。

從表中我們可以看出，VCSEL有源區的體積小、腔短，這就決定了它容易實現單縱模、低閾值(亞毫安級)電流工作，但是為了得到足夠高的增益，其腔鏡的反射率必須達到99%。VCSEL具有較高的弛豫振蕩頻率，從而在高速數據傳輸以及光通信中，預計將有著廣泛的應用。VCSEL出光方向與襯底表面垂直，可以實現很好的橫向光場限制，進行整片測試，得到圓形光束，易與制作二維陣列，外延晶片可以在整個工藝完成前，節約了生產成本。

VCSEL的優點主要有:

l.出射光束為圓形，發散角小，很容易與光纖及其他光學元件耦合且效率高。

2.可以實現高速調制，能夠應用于長距離、高速率的光纖通信系統。

3.有源區體積小，容易實現單縱模、低閾值的工作。

4.電光轉換效率可大于50%，可期待得到較長的器件壽命。5.容易實現二維陣列，應用于平行光學邏輯處理系統，實現高速、大容量數據處理，并可應用于高功率器件。

6.器件在封裝前就可以對芯片進行檢測，進行產品篩選，極大降低了產品的成本。

7.可以應用到層疊式光集成電路上，可采用微機械等技術。

VCSEL的發展史

VCSEL的歷史，也是在諸多學者機構的努力下，其性能不斷優化的歷史，在這幾十年的歷史中，IGA及其帶領的團隊起到了不可磨滅的作用，可以堪稱IGA教授為VCSEL之父。

隨著VCSEL的諸多優點，其應用也越來越廣泛。并且為了適合這些應用，VCSEL也朝著多個方向在各自發展，如圖1所示，為其主要應用：

不同波長VCSEL應用領域

由于目前VCSEL最主要應用在光傳輸方面，基于1979年Soda等人的VCSEL為開端，VCSEL的發展，主要經歷了2個階段：

第一階段：從VCSEL誕生到20世紀末，蠻荒發展階段。

在這個階段，各個組織機構都提出以及嘗試了各種不同結構類型的VCSEL，最終氧化物限制型VCSEL由于其諸多優點而勝出。

1994年，Huffaker等人率先采用在臺面結構（Mesa）下本征氧化AlGaAs，生成掩埋高阻層Al氧化物的方式，來對電流進行進一步的限制。利用這種結構，閾值電流可以降低到225uA。而這種結構就是目前普遍采用的氧化物限制型（Oxide-confined）結構的原型；

首個氧化物限制型VCSEL

2013年，Iga對VCSEL的關鍵指標如閾值電流、調制帶寬與有源區的關系給出了簡單的關系公式：

VCSEL的閾值電流同其他半導體激光器一樣，與有源區體積有如下關系式：

由公式可以看出，為了降低閾值電流，就需要不斷減小有源區體積。比較當前的VCSEL與條狀激光器的有源區體積，可以發現，VCSEL的V=0.06um3， 條狀激光器依然在V=60um3， 這就是為什么條狀激光器的閾值電流典型值仍舊在幾十mA的級別，而VCSEL的閾值電流已經達到了亞毫安級別。

第二階段：逐漸發展成熟階段及優化階段。

由于氧化物限制型的VCSEL具有低閾值電流等很多優點，這種結構的VCSEL被很快運用到了光通信中。

由于高的工作電流可以帶來更好的調制特性，但同時也會相應的增加功耗，進而帶來溫度的上升，會對可靠性帶來影響。調制速率與功耗成了VCSEL在光傳輸領域中重要的挑戰。2007年，Y-C.Chang等人采取增加深氧化層層數到5層以及增加p型摻雜濃度來降低串聯阻抗的方式，在0.9mA電流下實現的15GHz調制帶寬，相應的功耗只有1.2mW，帶寬/功耗比只有12.5GHz/mW,是當時最先進水平。VCSEL截面結構如圖所示：

深氧化層氧化物限制型VCSEL

利用相同的VCSEL結構，同年，Y-C.Chang等人又實現了35Gbps的無誤碼傳輸。

2011年，Petter Westbergh等人研究了850nm氧化物限制型VCSEL光子壽命與諧振頻率及調制速率的關系，并指出在高諧振頻率以及低阻尼震蕩中取得一個折衷來提高速率：當光子壽命接近3ps時，可以使VCSEL的調制帶寬達到23GHz，同時可以得到40Gb/s的無誤碼傳輸。

近年來，各個興趣小組對于高速率、低功耗的VCSEL研究依然興趣不減，圖10是截止到2015年，各機構的研究成果。可以看出，如果采用預加重的方式，目前VCSEL背靠背傳輸可以達到71Gbit/s。

短波長VCSEL光互聯領域發展近況

VCSEL的主要應用

1、用于高速光纖通信

1300nm和1550nm長波長化VCSEL在Gb/s速率光纖通信中有廣闊的市場前景，由于1300nm和1550nm波長VCSEL除具有處于光纖低色散和低衰減窗口的優點外，還具有在中長距離高速傳輸方面的優越性；

2、用于數字通信

VCSEL在短距離、大容量并行數據鏈路將有巨大應用市場。低成本和高性能的VCSEL廣泛應用于局域網中節點之間的數據傳輸。隨著局域網帶寬需求的提高，需有G比特以太網或高速局域網協議，VCSEL可作為低成本多模光發射機；

3、用于光互連

1300nm波長VCSEL是光并行處理、光識別系統及光互連系統中的關鍵器件。VCSEL在光信息處理、光互連、光交換、光計算、神經網絡等領域中可充分發揮光子的并行操作能力和大規模集成面陣的優勢，具有廣闊的應用前景；

4、用于光存儲

VCSEL可用作光存儲讀/寫光源。VCSEL用作CD光盤的光源可以提高存儲密度，光盤讀出系統還可配以分立的外部光電探測器來監測發自光盤的反射光。美國加利福尼亞大學已演示一種采用帶有內腔量子阱吸收器的VCSEL的新型集成光盤讀出頭。由VCSEL發出的CW光束聚焦在光盤上，而經擴展的反射光束直接進入VCSEL光腔。在反向偏置下，內腔吸收器的功能是作為光電探測器，其產生的光生電流提供一種精確的發自光盤的光反饋變量。

此外，VCSEL還應用在新型照明器、顯示器、激光打印機等。

VCSEL的迅速發展和固有優點已使其成為光電子應用中的關鍵器件，有強大的生命力。近年來，性能優異的VCSEL不斷被研發，主要涉及其低閾值電流，高輸出功率，高電光轉換效率，低工作電壓，高調制帶寬和高產額。相信隨著VCSEL的不斷發展，它將會獲得越來越多的潛在應用。

原文標題：光通信系統的VCSEL技術

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責任編輯：haq