VCSEL在光通信中的应用和发展现状

贺传峰    毛陆虹   戴居丰    
（天津大学电子信息工程学院，天津 300072）

摘要：介绍了垂直腔面发射激光器（VCSEL）的结构和技术特点，它的高性价比、高集成度等优点决定了其在高速并行光互连、宽带以太网等领域得到广泛应用，成为光通信领域的新光源。讨论了当前VCSEL产品的市场现状和VCSEL技术的应用前景。

关键字：垂直腔面发射激光器（VCSEL）；光互连；并行光通信技术
中图分类号：TN218

1 引言

在VCSEL诞生之前，传统的边发射激光器一直在光通信中扮演着主要角色。尽管这些年来，边发射激光器在结构优化，制造技术，工作特性以及应用领域方面都取得了巨大进展，但仍存在一些不足。比如在芯片解理之前，不能进行单个器件的基本特性测试；光束发散角过大且呈椭圆状；不易构成二维光源阵列；而且制造成本也仍然偏高。正是在这样的背景下诞生了垂直腔面发射的激光器。VCSEL是光从垂直于半导体衬底表面方向出射的一种半导体激光器，具有模式好、阈值低、稳定性好、寿命长、调制速率高、集成高、发散角小、耦合效率高、价格便宜等很多优点。因为在垂直于衬底的方向上可并行排列着多个激光器，所以非常适合应用在并行光传输以及并行光互连等领域，它以空前的速度成功地应用于单通道和并行光互联，以它很高的性能价格比，在宽带以太网、高速数据通信网中得到了大量的应用。

2 VCSEL的结构和特点

典型的VCSEL结构如图1所示，其有源区由多量子阱组成，有源区上下两边分别由多层四分之一波长厚的高低折射率交替的外延材料形成的DBR，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，需要制作的高反射率器的对数依据每对层的折射率而定，激光器的偏置电流流过反射器，它们是高掺杂的以便减小串联电阻．由一组少量的量子阱提供光增益，典型的量子阱数为1至4个，它们被置于驻波图形的最大处附近，以便获得最大的受激辐射效率而进入振荡场。出射光方向可以是顶部或衬底，这主要取决于衬底材料对所发出的激射光是否透明以及上下DBR究竟那一个取值更大一些。

VCSEL与传统边发射激光器不同的结构带来了许多优势：小的发散角和圆形对称的远、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竟能大于90％；VCSEL的光腔长度极短，导致其纵模间距拉大，可在较宽的温度范围内实现单纵模工作，动态调制频率高；腔体积减小使得其自发辐射因子较普通端面发射激光器高几个数量级，这导致许多物理特性大为改善；可以在片测试，极大地降低了开发成本；出光方向垂直衬底，可实现高密度二维面阵的集成；最吸引人的是它的制造工艺与发光二极管(LED)兼容，大规模制造的成本很低。

由于AlAs／GaAs DBR的高反射率、高热传导率和良好的导电特性，以及AlAs氧化技术的开发，850nm VCSEL技术已经相当成熟，批量生产成本较低。由于其优异的性能，850nm的VCSEL已经主宰了单通道短距离光学互连的市场，如IEEE 802．3千兆以太网1000Base—Sx系列标准中就采用低成本850nm VCSEL作为光源。用在并行传输多通道发送机模块中的一维VCSEL阵列也有产品进入市场。

在光纤通信系统中，1.3µm和1.55µm的长波长激光光源是不可缺少的关键性器件，主要由边发射的FP及DFB半导体激光器占领市场。目前投入到实际应用的VCSEL主要集中在波长在850/980nm范围内，适合于短距离传输。而人们正在将目光更多集中到长波长VCSEL的研制中，希望能将波长为1.3µm和1.55µm的VCSEL应用到并行光通信领域中，实现长距离的并行光传输。长波长l300、l550nm波段的VCSEL目前的技术水平还达不到850nm波段成熟的程度，存在很多的问题，如：价带间吸收较大；体系DBR折射率差太小，需要多层，热导率也很小，难以高温操作；批量生产工艺复杂等。科学家们通过引入各种技术和开发新材料、新工艺，在长波长带的VCSEL方面也取得了很大进展，器件性能水平有了很大提升。

3  VCSEL的市场现状和应用前景

目前VCSEL市场空前发展，并在北美替代高价位的LD用于千兆、万兆以太数据通信网的建设，导致了高速VCSEL收发模块需求爆炸性地增长。虽然目前通信市场萎缩，但据美国E1ectroniCast公司最近预测，全球用于光通信的VCSEL激光收发机的需求量在未来5年内仍将以每年35％的速率递增，到2006年将达到20亿美元。未来的中国将是最大的数据通信网市场，利用VCSEL／Pin阵列实现10 Gbit／s乃至40 Gbit／s的甚短距离(VSR)并行光互联及大容量交换设备和传输设备间高密度的背板连接，将会大大促进国内数据通信网和通信设备的发展。

由于VCSEL价格非常低廉，一般各大公司不会推出单独的VCSEL模块，而是应用在自己的并行光收发器上推出其成熟的应用VCSEL的产品。如Infineon公司推出的V23814-U1306-M130并行光模块，电源3.3V供电，LVDS接口，12路并行光传输，每路速率250-1600Mbit/s，总传输速率达到19Gbit/s，采用850nmVCSEL技术和62.5um2多模光纤，传输距离可达200m。

molex公司相应的VCSEL产品如图3所示，它的单道速率可达2.5Gbps,总传输速率达30Gbit/s。从图中可以看出采用VCSEL的系统都具有小型化、集成度高、使用方便的特点。

SiRES LABS公司推出适用于甚短距离(VSR)应用的单片集成光收发器SRL3101NS，传输速率达3.125Gbps。SRL3101NS集成了互阻放大器(TIA)、限幅放大器(LA)、VCSEL驱动器及LVDS接口，可作为独立的器件。该产品发送及接收的传输速率为1Gbps至3.125Gbps且消耗功率最高为250mW，具有数字及模拟控制和监测功能，与VCSEL和PIN/APD共同使用适用于甚短距离应用，如千兆位以太网、SONET VSR链接、内部系统、底板、SAN、光纤通道及兆兆位路由器和交换机。 该产品为单电源3.3V供电，峰－峰抖动时间为20ps(PRBS23)，调制和偏置电流为10mA(分别可通过一个外部的模拟电压控制或通过标准I2C接口及内部电阻进行数字控制)，具有集成的温度传感器和内部闭环反馈电路，用于温度补偿，无需额外光敏二极管监控。SRL3101NS裸片尺寸为1.6×2.2mm，提供裸片或封装，具有大的引脚间距。

在长波长VCSEL应用方面，E2O通讯公司日前研制出一种电子泵浦长波长垂直腔表面发射激光器（LW VCSEL），从而实现了技术上的突破，具有重要的实用价值。该激光器产生的激光波长范围在1270nm到1610nm之间，适用于LAN，城域网，数据通信以及电信领域的应用。Picolight公司目前正在上市其新型收发器，这款收发器支持各种长中短距离上的622、155 以及125Mbit/s互连，是一小型热插拔SFP收发器，具有数字诊断功能，功耗仅为400mW，相当于那些普通中等距离收发器的一半。这款基于1310nm VCSEL的收发器的工作链路距离范围在0到50公里之间。它的出现为那些SONET/SDH和以太接入网络OEM提供了一个单一收发器，从而取代了那些基于不同激光器或LED技术的多种器件。Picolight的首席执行官Swirhun表示，如果按距离划分的话，SONET/SDH和以太接入链路目前已经铺设了8种或者更多类型的收发器，结果就导致了网络的复杂性并增加了成本。而这款新型1310nm VCSEL的收发器则在最重要的接入领域帮助运营商减少了拥有成本，统一了库存，并简化了网络。而Picolight的首席技术官Jewell则表示，这些1310nm VCSEL产品开辟了光互连应用的新纪元，这些收发器具有更高的性能，改善了功耗，具有更高的密度和成本效益。完整的产品和标准将被确立，包括多通道收发器和电池驱动的收发器。不出两年，这些1310nm VCSEL将在那些基于单模光纤中等距离光互连市场占据支配地位，就像现在850nm VCSEL在多模光纤市场的地位一样。

目前，国际上VCSEL方面的研究主要集中在面向光通信应用的850nm波段小功率器件，并已经商品化，而980nm高功率VCSEL的报道还很少。国内在980nmVCSEL的研究方面取得了突破，中科院研制出980nm大功率重直腔表面发射激光器，他们建立了高功率垂直腔面发射激光器结构优化设计理论模型，采用能带理论计算了量子阱光增益、最佳掺杂浓度；用有限元法首次研究了底发射结构电极间距的最佳距离等；首次采用高导热A1203薄膜钝化技术减少非辐射复合降低器件阈值电流；首次采用氧化铪多层膜组合技术制备高透过率出光窗口等，促使研究工作取得了突破性进展，首次研制出500μm、600μm、700μm大直径高功率垂直腔表面发射激光器件，连续波光功率输出均为1.95瓦。研制出200μm直径VCSEL器件，10ns条件下峰值光功率10.5瓦，光功率密度33.4kW/cm2；300μm直径VCSEL器件连续波光功率输出1.11瓦，光功率密度1.57kW/cm2；上述指标据称均高于国际报道的同类器件。与此同时，通过高温快速老化方法实验，器件的寿命达到4,500小时，相信相关产品很快会推向市场。

目前850nm的VCSEL技术已经十分成熟，在采用多模光纤的短距离光互连领域应用已经相当广泛，随着长波长VCSEL的成熟，VCSEL可作为低成本高性能激光光源，在光纤通信网络、高速数据传输、并行光互连等方面具有重大应用前景。特别是在中、长距离高速传输方面具有短波长VCSEL无法比拟的优点。光纤接入网的发展和将来的光纤到户和光纤到路边等的实施必将给长波长VCSEL提供广阔的市场需求空间。波长可调谐的VCSEL阵列在局域网、长距离超大容量信息传输方面的应用有着巨大的潜力,它可提供更多的波长，使VCSEL的光空间并行性和波长特性实现良好的结合，极大地提高系统的容量和传输速率，是用于波分复用(WDM)网络和全光网建设的最佳选择。多波长激光器阵列也成为WDM系统的关键器件之一。

除了并行光传输和光互连，VCSEL在其他方面也有不错的应用前景。在光打印方面，激光打印机中的多边镜等光扫描技术的电子化是多年未能解决的课题，随着技术的发展，已逐步得到改善。如果采用LED阵列，电能消耗是个瓶颈，而导入VCSEL阵列则可以解决这个问题。采用数千个VCSEL构成的阵列形式的多光束将可能成为取代多边镜扫描的最好方式。相比过去的单个激光管，VCSEL的阵列集成结构可以同时进行多行的扫描。这可以大大提高激光打印机的扫描速度并相应延长其使用寿命。在光显示方面，通常的显示器都是利用红、绿、蓝三元色发光管构成的，如果能够制成具有红、绿、蓝三元色的激光器，则可以应用在大型显示器的技术领域中。目前，波长范围从蓝色覆盖到紫外波段的GaN系列激光器正处在研究阶段。这个系列的VCSEL是解决未来图像显示的有力技术。在照明方面，VCSEL的电光转换效率达到50％以上，远远高于目前的照明光源，如果它的波长能从紫外波段覆盖到可见光区，可以期待它在照明领域里面也能有着广泛的应用前景，实现白光照明。例如，可调节光线强度的室内照明，笔记本电脑的背景灯，交通指示灯以及户外照明灯等许多方面。另外在气体检测、高密度光存储方面也有希望得到应用。   
       
4  总结

    VCSEL的低成本、高集成度、高调制速率等特点使得它在万兆以太网、高速并行光互连等领域已经得到广泛的应用，未来在光纤局域网（LAN）中，VCSEL有机会与常规边射型激光一较长短，并大有取代传统的边发射激光器的趋势。VCSEL的诸多技术优势必将推动VCSEL技术的不断成熟和广泛应用，市场前景和应用前景广阔。

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