垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）具有功耗低、封裝簡單和因其圓形光場分布而易與光纖耦合等優(yōu)點，因而得到廣泛應(yīng)用。而且，VCSEL便于組成激光器陣列、可實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的生產(chǎn)。 由于氧化限制型VCSEL的單模輸出功率有限，它們最成功的商業(yè)化應(yīng)用是多模應(yīng)用或者單模輸出功率要求一般低于1mW的情況。因此，VCSEL激光器已成為短距離數(shù)據(jù)通信傳輸系統(tǒng)的首選光源，或應(yīng)用于娛樂消費電子產(chǎn)品如光電鼠標(biāo)。 在長距離高速率數(shù)據(jù)通信和長途通信領(lǐng)域中，邊發(fā)射法布里－珀羅腔激光器和分布反饋激光器占據(jù)主流。然而，法珀腔激光器由于在高速率調(diào)制時的模式色散而使其應(yīng)用范圍有限，分布反饋激光器一般要求增加一個價格昂貴的光隔離器。所以，近期的激光器開發(fā)主要關(guān)注長波長VCSEL激光器的研制，要求其輸出功率可滿足高性價比長途通信接入網(wǎng)解決方案的增長需求。 圖1.Alight公司在鄰近有源區(qū)的薄層半導(dǎo)體頂端反射鏡 上刻蝕出光子晶體結(jié)構(gòu)以優(yōu)化激射效果。 長波長VCSEL 一年前，Alight Technologies公司從Infineon Technologies公司獲得摻稀氮化物1300nm VCSEL技術(shù)工藝平臺。現(xiàn)在，Alight公司正在運用其獨有的光子晶體技術(shù)來增加1300nm VCSEL的單模輸出功率以滿足遠(yuǎn)距離通信、接入網(wǎng)和其它通信應(yīng)用的要求。將光子晶體應(yīng)用于摻稀氮化物1300nm VCSEL的技術(shù)具有普遍適用性，可用于提高其它波長VCSEL的單模輸出功率。 傳統(tǒng)的氧化限制型VCSEL 商用850nm氧化限制型VCSEL的單模輸出功率通常被限制在1～2mW。產(chǎn)生這一功率限制的主要原因是氧化物的孔徑限制了電流和光場模式。為了保證基模工作，氧化物孔徑必須很小（850nm VCSEL一般是3～4μ），這就限制了能產(chǎn)生的輸出功率。氧化物孔徑小還使得差分電阻大，從而導(dǎo)致電阻發(fā)熱增大、并使激光器難以高速工作。此外，孔徑小還會使VCSEL的壽命和可靠性降低。 引入光子晶體 一個有潛力使VCSEL實現(xiàn)高速、大功率單模輸出的方法是采用光子晶體來限制橫向光場分布，同時利用氧化物小孔限制電流。1 通過在VCSEL頂端反射鏡上刻蝕光子晶體圖案來實現(xiàn)對橫向模場的限制，這會引起有效折射率的變化，導(dǎo)致光腔諧振波長移動。2 VCSEL頂端反射鏡上淺刻蝕孔的深度只有幾百納米，產(chǎn)生的光腔諧振波長偏移量非常微? Ｒ虼耍ü淌瓷羈祝?0～20腔鏡周期）已能制作出光子晶體VCSEL。3，4，5 刻入頂端反射鏡的深孔使光腔諧振波長出現(xiàn)所要求的偏移量，但也使光子壽命縮短從而造成更多的光學(xué)損耗。這種情況下，光子壽命和光腔諧振波長移動都會形成對模場的橫向限制。可惜的是，這會導(dǎo)致在目前的VCSEL中出現(xiàn)強烈的折射率光導(dǎo)或損耗光導(dǎo)，使其模場面積? ⑹涑齬夤β實汀? 圖2.電子束顯微照片展示出長波長VCSEL的光子晶體激射缺 陷， 它是由去掉正三角晶格中心的一些圓孔后形成的。為了克服這些負(fù)面效應(yīng)，Alight Technologies公司使用新的辦法來制作光子晶體VCSEL。先對鄰近有源區(qū)的某一層進(jìn)行淺刻蝕，然后再沉積構(gòu)成頂端反射鏡的介質(zhì)材料。已報道的結(jié)果顯示，光腔諧振波長的調(diào)諧范圍增大，波長移動范圍超過10nm而刻蝕深度僅有幾十納米。6 盡管早就有人驗證了這一方法對850nm有效，但這一光子晶體技術(shù)現(xiàn)在才移植入長波長摻稀氮化物VCSEL（圖1）。在半導(dǎo)體頂層表面中淺刻蝕制作出圓形空氣孔的正三角晶格以構(gòu)成光子晶體結(jié)構(gòu)，得到更長的光腔諧振波長。通過去掉正三角晶格中心的一些圓孔形成光子晶體激射缺陷（圖2）。 介質(zhì)頂端反射鏡的采用延續(xù)了Infineon的方法，由此可得到可靠性優(yōu)良的高質(zhì)量器件。7介質(zhì)頂端鏡與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體頂端反射鏡相比，還減小了由于自由載流子吸收引起的光學(xué)損耗。 實驗結(jié)果 初步開發(fā)和原理驗證工作是在850nm VCSEL材料上完成的。盡管開發(fā)工作因客戶需求驅(qū)使將注意力轉(zhuǎn)移到長波長VCSEL工作上而未能完成，但實現(xiàn)了850nm單模運轉(zhuǎn)的光子晶體VCSEL，模場直徑為8μ。雖然由于非優(yōu)化的接觸工藝引起電阻發(fā)熱使單模功率水平限制在3～5mW之間，但是開發(fā)工作表明在850nm波長處實現(xiàn)10mW量級的單模輸出功率是可能的。 波長越長，自由載流子吸收也越強烈。因此，開發(fā)長波長VCSEL自然也就更困難。然而，良好的初步結(jié)果已證明可將長波長光子晶體結(jié)構(gòu)移植到由Infineon開發(fā)出的外延生長工藝平臺上。例如，光功率-電流特性顯示在20℃時單模輸出近似達(dá)到3mW，在90℃時仍發(fā)射出1.4mW的單模功率（圖3）。70℃時，激光器在整個電流范圍內(nèi)仍具有大于30dB的超高邊模抑制比。 圖3 20℃時，VCSEL在1300nm 波長處的單模輸出功率已實現(xiàn)大于3mW光子晶體的采用可以在保證單模工作的同時精確地控制激光束的近場分布，以保證良好的光纖耦合效果（圖4）。長波長VCSEL在15mA時的遠(yuǎn)場接近高斯分布，1/e2寬度在整個工作電流范圍內(nèi)小于17°，這是由于光子晶體的使用可獲得大模場尺寸。使用標(biāo)準(zhǔn)的體光學(xué)元件后，單模光纖耦合效率已能超過80％。 光子晶體層靠近激光腔還有其它優(yōu)勢。特別是整個結(jié)構(gòu)中成對反射鏡的數(shù)目保持不變，這非常重要。與深刻蝕結(jié)構(gòu)相比，反射鏡的總反射率不受影響，仍保持很高數(shù)值。這一特性使得在這種結(jié)構(gòu)中橫向?qū)Ч鈾C制僅取決于局部變化的波長或者有效折射率，而非損耗或增益光波導(dǎo)。損耗光波導(dǎo)是無法避免的，這造成附加的內(nèi)部光場損耗（在高功率情況下尤其不利），還會由于強限制作用而扭曲模場，導(dǎo)致非高斯的遠(yuǎn)場分布。 圖4.對光子晶體VCSEL在1300nm處的遠(yuǎn)場分析顯示出近似的高斯分布， 1/e2寬度在整個工作電流范圍內(nèi)小于17°。光子晶體弱導(dǎo)光特性有利于更大的模場面積，允許更大的電流（氧化層）孔徑，帶來輸出功率增加、可靠性更好的優(yōu)點。引入光子晶體結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)偏振控制，減小光束發(fā)散角和一定量的波長調(diào)諧。而且，光子晶體技術(shù)由于自身的特性，可縮放其結(jié)構(gòu)尺寸來選擇某個目標(biāo)激射波長，但由于光刻技術(shù)的限制以及光場尺寸和電流孔徑都必須選擇合理的數(shù)值，實際的波長選擇范圍限于400nm至3000nm。 聚焦1300nm產(chǎn)品 由于產(chǎn)品進(jìn)入市場的時機很重要，Alight采用從Infineon獲得的制造設(shè)備作為生產(chǎn)手段。與主要客戶的緊密合作也有助于縮短從制造1300nm樣品過渡到投片生產(chǎn)合格產(chǎn)品的時間。因為普通的光子晶體平臺可用于不同的波長和許多領(lǐng)域如光傳感、印刷、無源光纖和消費電子，所以從合作伙伴那里尋求長途通信和數(shù)據(jù)通信的市場之外的機會將有助于這一獨特的光子晶體技術(shù)最大程度地擴(kuò)展到其它領(lǐng)域。 參考文獻(xiàn) 1. S. Bischoff et al., Proc. European Conf. on Optical Communications (ECOC) 40 (2003). 2. G.R. Hadley, Optics Lett. 20(13) 1483 (1995). 3. H. Unold et al., Proc. ECOC 520 (2001). 4. J.J. Song et al., Applied Phys. Lett. 80(21) 3901 (2002). 5. T. Furukawa et al., Applied Phys. Lett. 85(22) 5161 (2004). 6. F.P. Romstad et al., Proc. ECOC 596 (2004). 7. G. Steinle et al., Proc. Electronic Components and Tech. Conf. (ECTC) 218 (2001).