新一代长波长VCSEL制造技术浮出水面

Eli Kapon
BeamExpress公司

瑞士新创公司BeamExpress日前研制出一种针对长波长单模VCSEL的高量产生产工艺，该公司创始人兼首席科学家Eli Kapon先生在本文中简要地分析了这种技术。

垂直腔表面发射激光器（VCSEL）目前应用于各种不同领域，相比边发射激光器而言拥有诸多优势，特别要指出的是VCSEL激光器拥有更低的电子功率损耗，纯净的单波长操作，更容易与单模光纤耦合，与其他光元件兼容性好，封装也更简单，由于可以实现在片（on-wafer）测试，所以制造成本也获得了极大的降低。

事实上，短波长（<1 μm）的VCSEL目前已经在甚短距（<100 m）数据通讯和光互连市场上处于支配地位，目前在传感器领域的应用也日渐增多。之所以取得如此辉煌的成绩主要因为相关的制造技术简单，可以跟当前的LED制造工艺兼容。这种制造技术依靠GaAs衬底外延技术形成AlGaAs分布布拉格反射层（DBR）和(In)GaAs/AlGaAs量子阱（QW）有源区。

开始追赶

那些长波长VCSEL，尤其工作在1310nm和1550nm等电信波长上的VCSEL，对于研制那些用在LAN和MAN网络（网络跨度在100米到100公里）里的低成本、波长可控的光源来说是一个非常吸引人的解决方案。不过这些长波长发射器的研制工作相比短波长的VCSEL落后了许多。原因是多方面的，比如说人们为了获得最好的器件性能，往往需要GaAs/AlGaAs DBR来提供一个更大的体系折射率差，更高的热传导系数，以及在100°C仍有很高光增益的InP QW有源区，所有这些要求都面临很多挑战。

当我们要研制一种在70-90 °C温度下发射功率至少要达到1-2 mW的VCSEL时，要解决研制过程中所出现的挑战，采用类似III-V半导体材料的化合物就显得非常重要。上面所描述的性能其实对确保企业数据和电信网络的可靠运作非常重要，而企业和电信市场正是被看作是长波长VCSEL的最大应用市场。

为了解决传统外延工艺混合GaAs和InP结构所面临的困难，人们研制了许多新技术来制造这种器件。如高应变量子阱（QW）或量子点GaAs/InGaAs有源区；稀释氮化物的GaInNAs/GaAs有源区；基于InP的变质DBR；配有InP有源区的电介质反射镜。尽管这些技术都获得了相当大的进步，不过它们依旧存在诸多方面的限制，如发射波长的选择，单模输出功率等方面。

共生关系

一种取代单衬底VCSEL制造工艺的新兴技术是被称为晶圆混合或熔合（wafer fusion）的技术。通过这种技术，生长于加热衬底上面的VCSEL腔里面的独立成分被结合在一起，从而制作出VCSEL器件。这种技术将InP有源区和GaAs DBR有机地结合起来，产生了最好的VCSEL性能。

一种改进的晶圆熔合技术——称为局部晶圆熔合技术（localized wafer fusion）——被Nanostructures设在瑞士的物理实验室研制出来。在这种技术里，一层或多层晶圆表面先通过传统的光刻技术构造出来，表面结构限定了VCSEL中的光学腔和载流子限制（carrier-confinement）区域。特别需要说明的是，这种技术可以对激光器的光学腔长度进行精确调整，即以纳米级的精度设置发射波长。另外，局部晶圆熔合技术可以更好地控制余下晶圆部分的熔合工艺、生产出可再生的高质量熔合接口。

BeamExpress近期已经制造出2英寸的double-fused VCSEL晶圆，具有很高的均匀度和极好的重复性，由此确立了局部晶圆熔合技术作为一种可行的规模量产技术的地位（见图1）。这种晶圆采用的是业界标准的小管芯尺寸，因此可以在晶圆上生产出大量的器件。

图2显示了一个局部，双晶圆熔合VCSEL。其有源区域是由数个InAlGaAs应变量子阱和重掺杂p-n隧道接合面组合而成的，通过MOCVD工艺使用硅和碳化物在一个InP衬底上生长出来的。侧面的电子和光学限制则通过对隧道接合面的刻蚀台（etching mesas）设计来完成。顶部和底部DBR则分别在GaAs衬底上以21.5和35个周期进行四分之一波长厚的高低折射率交替的无掺杂A10.9Ga0.1As/GaAs材料外延形成，并分别熔合在有源材料的两端。 

处于熔合接口（fused interface）上的台面被lens-shaped纳米狭缝环绕着，而这些纳米狭缝则通过熔融晶圆的塑性变形（plastic deformation）形成的。电流通过n型腔内层穿过隧道接合面进入有源区。而由刻蚀台面环绕的反向偏压p-n接合面则提供了有效的侧向电流保护。

最优化操作
图3显示了发射波长分别是1310nm和1550nm的器件在不同温度下的光-电流-电压关系。对器件的优化设计导致在所有温度范围内对两波长的阀值电流均小于3mA，二极管电压低于2.5V。当温度在85 °C时，1340 nm单模光功率为1.2mW，1510 nm单模光功率为1.6mW。并且在所有测试温度下的单模抑制比均好于35dB（图4）。

要选择的波长要严格按照标准的CWDM栅格来操作，这已经被一种mesa-trimming技术演示过，该技术贯穿了先前的光学腔长度设定以及后来的熔合步骤。同样重要的是，BeamExpress的局部晶圆熔合VCSEL所具备的高单模功率是在没有损害光束形状和直接调制速度的情况下获得的。通过使用7 μm直径的孔径，1310 和1550 nm VCSEL分别获得了半最大值全宽（FWHM）为7.5和9.5°的圆形对称基模光束。这些光束的形状能以很高的耦合效率进入单模光纤内（当使用透镜方式时，1300nm和1550nm波长的效率分别是80%和70%，若是采用对接耦合的方式，则两种波长的耦合效率均为50%）。采用这两个波段的器件都可以实现3.125Gb/s的直接调制，下一步我们将研制出外调制速度达10Gb/s的VCSEL。

BeamExpress的器件在85°C的温度环境下展现出的单模输出功率是其他1310和1550nm VCSEL的两到三倍。主要原因是BeamExpress有效地改善了VCSEL与单模光纤的耦合效率，这些VCSEL现在可以有实力取代那些边发射分布反馈式（DFB）激光器了，当在高温（70-90°C）的环境中工作时，BeamExpress的VCSEL所产生的功耗仅仅是同类别DFB边发射激光器的十分之一。

极低的功耗可以使这些VCSEL封装进更加紧凑，小巧的模块内，为制造新一代低成本、高性能光收发器打开了一条快速捷径。可以说，在不久的将来，这些VCSEL肯定会在光模块尺寸和成本的压缩方面扮演重要角色。
其中一个例子就是10G-BASE-LX4收发器，这种收发器采用4个CWDM波长来进行10GbE传输。在这里，BeamExpress的VCSEL技术将为多波长激光器阵列的多路复用提供实质性的成本节约，并使之成为非常可行的高量产低成本制造技术。另外，在1310和1550nm电信波段高效工作的VCSEL也可以生产出8通道的CWDM VCSEL阵列，如果采用water-free光纤的话，还可以制造出更多通道的VCSEL阵列。

BeamExpress目前正联合其生产合作伙伴来共同优化局部晶圆熔合长波长VCSEL的高量产生产技术。一种全自动化的晶圆熔合工艺结合后来的处理步骤（类似短波长VCSEL制造技术所建立的步骤）预示着极具竞争力的芯片成本将成为可能。该公司目前正全力加强对该技术各层面的可靠性测试，并已经取得鼓舞人心的成果。长波长VCSEL原型样品也已经交给数个用户手里供他们评估，相信不久就会获得大规模的商用。

作者简介
Eli Kapon是BeamExpress公司的创始人和首席科学家。