GaAs基垂直腔面发射激光器综述

InP/InGaAsP垂直腔表面发射激光器综述
摘要：
简要介绍了半导体激光器的基本原理，基于InP/InGaAsP 材料的垂直腔表面发射激光器（VCSEL）的基本原理与结构，分布布拉格反射器（DBR）的材料与各层厚度，以及1.3μm的VCSEL在光纤通信方面的应用。

关键词:半导体激光器垂直腔表面发射激光器InP/InGaAsP
引言：
1962年，世界上第一台半导体激光器——GaAs激光器实现了低温下的脉冲工作。

1970年实现了室温下连续工作，其后半导体激光器取得了迅速的发展。

目前半导体激光器在光存储、光陀螺、激光打印、激光准直、测距等方面有广泛的应用。

尤其在光纤通信中，它是最重要的光源之一。

垂直腔表面发射激光器的概念是由日本科学家Iga等人于1977年提出，并且于1979年研制出了第一只VCSEL，但只能实现低温下的激射，阈值电流也很高。

该研究小组于1988年实现了0.86μm GaAs/AlGaAs 材料的VCSEL室温下的脉冲激射。

随着外延技术的发展，使得制造出高反射率的半导体布拉格反射器成为可能，这大大加速了VCSEL的研究进程。

1989年贝尔实验室制作出了第一只室温下连续波工作的0.98μm单量子阱VCSEL。

其后VCSEL迅速发展，至1996年，美国的Honeywell公司提供了第一只应用于光纤通信的商用质子注入型VCSEL。

近几年，1.3μm与1.55μm波长的VCSEL是研究的热点，它们在中短距离通信方面有重要的应用。

1 半导体激光器简介
半导体激光器是以半导体材料作为激光工作物质，利用半导体中的电子光跃迁引起光子受激发射而产生激光的光振荡器和光放大器的总称。

它具有体积小，重量轻，寿命长，效率高，可利用调制高频电流的方法实现高频调制，可批量生产，可单片集成化等诸多优点。

半导体激光器发出激光的必要条件有：（1）实现粒子数反转，即将价带的电子激发到导带形成大量的电子——空穴对。

（2）有一个能起光反馈作用的谐振腔。

（3）满足一定的阈值条件使光增益大于光损耗。

半导体激光器的激励方式有很多，如注入电流激励、光激励、碰撞电离激励等。

目前应用最广的是pn结注入电流激励。

采用这种激励方式的半导体激光器称注入型半导体激光器，也称激光二极管[1]。

2 半导体激光器原理
（1）半导体发光
在半导体晶体中，由于原子之间的相互作用，其外层电子（价电子）的能级发生分裂形成两个能带，能量较低的称为价带，较高者称为导带，导带底与价带顶之间的能量差称为禁带宽度Eg，如图1所示。

电子-空穴对的复合过程就是电子由导带跃迁到价带的过程，这一过程会发出一个频率υ=Eg/h的光子。

导带边与价带边具有相同波矢者，称为直接带隙
半导体。

在直接带隙半导体内，能带间的
光跃迁是直接进行的，没有声子参与，光
子的吸收与发射效率很高。

因此在半导体
激光器中，作为发光介质的有源区，必须
是直接带隙半导体。

图1半导体中的能带电子-空穴对产生的过程称为载流子注入，其反过程为载流子复合。

要在有源区实现粒子数反转，就需要不断的进行载流子注入，通过双异质结构（DH）可以实现载流子注入与载流子限制。

其基本结构如图2[2]所示。

电子由N限制层
注入有源层，空穴从P限制层注入有源层，
在有源层发生载流子的复合，发生光子的受
激发射光放大。

并且，N限制层与P限制层
提供的空穴势垒和电子势垒将注入的载流
子限制在有源层内，提高了载流子注入效率。

图2 双异质结构
（2）光波导与谐振腔
光波导是能够将光波限制在其中并使光沿层面传播的结构。

介质光波导有多种形式，如：简单的双异质结结构（三层介质波导）、大光腔结构（四层介质波导）、分别限制异质结构（五层介质波导）等，这里简要介绍分别限制异质结构（SCH）。

SCH的折射率分布为最中心折射率为你n,为有源层，其旁边上下两层折射
率为n2的是载流子限制层，作用是将载流子约束在有源层内同时与有源层一起构成光波导，又称为芯层。

最外面折射率为n1的为上下包层，其折射率与载流子限制层相差很大，可以有效地将光约束在光波导内。

半导体激光器的谐振腔中最简单的是法布里-珀罗（F-P）谐振腔，它由两个平行的平面镜组成。

在半导体器件中，光波导的两个平行的端面构成水平谐振腔，两个平行的表面构成垂直谐振腔。

这种谐振腔结构非常简单，但纵模不稳定，常出现多模或跳模。

利用与有源层平行耦合的布拉格衍射光栅，能够实现锁模，可将振荡频率锁定在布拉格频率附近。

垂直谐振腔中，一般采用分布布拉格反射器（DBR）代替表面平面镜。

DBR是折射率周期性变化的多层结构，各层厚度均为四分之一波长，利用多光束干涉使反射光得到加强来提高反射率。

3 基于InP/InGaAsP材料的垂直腔表面发射半导体激光器
垂直腔表面发射激光器的出射光束垂直于芯片表面。

它具有阈值电流低，出射光束发散角小，易于单片集成，出射光束为圆形等优点。

VCSEL的腔长非常短，纵模间距很大，容易实现单纵模传输。

有源区体积小，具有相对大的调制带宽。

在光通信、光互连、光信号处理、光计算及光电集成组件等方面有着广泛的应用前景[3]。

（1）垂直腔表面发射激光器的基本结构
VCSEL的结构主要由两部分组成：量子阱（QW）有源区和分布布拉格反射
器。

其结构如图3所示。

根据对电流注
入和光场限制的不同，可以将VCSEL
的结构分为四类:空气柱型、质子注入
型、掩埋异质结构、氧化限制型。

目前
实用化的VCSEL多为氧化限制型。

这
种结构是利用氮气作为载气，携带的水
蒸气在一定温度下将AlGaAs氧化成
Al2O3,这种结构不仅能提供良好的电流图3 VCSEL结构
注入和光场限制，而且能将有源区尺寸
减小到数微米。

（2）量子阱的原理与材料
当DH半导体芯片的有源层厚度可以和电子波的波长相比时，载流子沿垂直于有源层方向的动量量子化为一系列分立的能级，称为量子尺度效应。

它类似于量子力学中的一维势阱，因此被称为量子阱。

这种结构使电子或空穴被限制在阱内，即电子或空穴只能在与阱面平行的方向上以任意的动量运动，在垂直于阱面的方向上不能作自由运动，采用这种结构可以有效地改善半导体激光器的性能。

量子阱有微腔效应，微腔的量子电动力学效应导致载流子寿命与自发发射谱线宽度的减小，二者的减小会造成光增益常效α与自发发射因子σ的增大，α与σ的增大使激光器阈值大幅度降低，调制频率大幅度提高。

若仅将DH激光器的有源层做的很薄,形成单量子阱（SQW）或多量子阱(MQW)的结构。

由于QW层太薄，导致产生了光波限制减弱、对导波光的有效增益变小、容易产生注入载流子泄露等缺点，不能做出高性能的激光器。

因此人们制作了各种改良结构。

比如：、变形单量子阱（MSQW）、分布折射率分别限制单量子阱(GRIN-SCH-SQW)、变形多量子阱(MMQW)，应变补偿多量子阱（SCMQW）等[4]。

量子阱有源区的材料的禁带宽带决定了激光器的带隙波长，带隙波长λg的计算式为：
λg=2πℏc E g
可用于作为量子阱有源区的材料有很多，现在最常用的有两种材料体系，一种是以GaAs和Al x Ga1-x As(下标x表示GaAs中被Al原子取代的Ga原子的百分数)为基础的，这种材料体系的带隙波长一般在850nm左右，其出射波长受掺杂情况以及x的影响。

另一种是以InP和In1-x Ga x As y P1-y为基础的,这种材料发射的激光波长主要有1.3μm和1.55μm，这两种波长都可用于光纤通信[5]。

（3）InP/InGaAsP材料的有源区与GaAs/AlAs材料的DBR
InP/InGaAsP材料作有源区的垂直腔表面发射激光器所得激光波长大约在1.3μm左右。

InP/InGaAsP的制备可以采用气态源分子束外延(GSMBE)生长技术，在InP基上生长出一层合适的有源区材料，制成SCMQW结构。

这种激光器的DBR可采用GaAs/AlAs材料，这种材料的生长也可采用GSMBE技术，生长大约30对GaAs/AlAs DBR的反射率大于99%，可以满足使
用要求。

这种材料的折射率与温度和光波长有关，其经验公式[6]为：
其中，T为温度，单位为K，h为普朗克常量，c是光速。

对GaAs，C0=0.015381，C1=12.3615，E1(0)=1.5192，E1(0)=3.791；对AlAs，C0= 0.060876，C1= 61.064215，E1(0)= 3.099，E1(0)=11.717。

计算得：300K时，1.31μm处GaAs折射率为3.408，AlAs折射率为2.909。

根据DBR中每层厚度为λ/(4n), 计算得到1.31μm的GaAs/AlAs DBR中GaAs单层厚度为96.1nm, AlAs单层厚度为112.59nm。

4 InP/InGaAsP材料的垂直腔表面发射激光器的应用
InP/InGaAsP材料的VCSEL的输出波长约1.3μm左右，这种波长的VCSEL 主要用于光纤通信。

2001年4月，Infineon技术公司宣布已经研制出GaAs基的1300nm VCSEL，它以10Gbit/s的光纤传输数据率工作，最大输出功率1mW，室温下阈值电流2mA，激光作用温度达80℃。

E20通信公司2001年5月宣布研制出1320nm VCSEL，该单模连续波激光器输出功率超过2mW，光谱线宽小于0. 2nm，器件所用的材料是GaAs和InP基底。

随后，Cielo通信公司在展示了他们的1.3μm VCSEL产品[7]。

5 总结
论文总结了半导体激光器的基本原理，介绍了输出波长为 1.3μm左右的InP/InGaAsP材料VCSEL的基本结构与应用。

总之，1.3μm的半导体激光器是当前光纤通信技术的基础，采用InP/InGaAsP材料体系制作的 1.3μm的半导体激光器经过多年的发展，已经取得了很大的进步，也仍然存在一些问题，比如它的温度特性较差，虽然技术上可以采用热电制冷、光控、温控等方法确保器件的正常
工作。

但这些方法都会导致成本的增加和系统可靠性的降低[8]。

参考文献
[1]张兴，黄如，刘晓彦微电子学概论北京：北京大学出版社2010.2
[2] 杜宝勋等编著半导体激光器理论基础北京：科学出版社2011
[3] 陈家璧，彭润玲激光原理及应用北京：电子工业出版社2008.8
[4] 栖原敏明（日）半导体激光器基础北京：科学出版社2002
[5] 周炳琨，高以智等激光原理（第六版）北京：国防工业出版社2009.12
[6] 谢正生1.3μm VCSEL结构制作研究中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士论文2007
[7] 宋晓舒垂直腔面发射激光器制造商强攻1300nm电信业堡垒光机电信息2002(8)
[8] 张永刚，陈建新，陈意桥，齐鸣，李爱珍1.3μm InAsP/InGaAsP应变补偿量子阱激光器功能材料与器件学报2000(6)。