1、1310nm VCSEL 激光器制造技术及应用1310nm VCSEL 激光器具有低成本、高性能的特点，而如何生长具有高性能反射镜片是实现 1310nm VCSEL 激光器的关键。本文介绍了几种生长和制作 VCSEL 激光器镜片的方法，并概要介绍了光通信市场概况和 1310nm VCSEL 激光器几种应用概念。1310nm VCSEL 激光器一直是通信行业中理想的激光光源。1310nm VCSEL 技术结合了 VCSEL 技术和最佳通信波长的优点，实现了高性能和低成本。但要产生1310nm 的 VCSEL 激光器需要一些性能独特的半导体材料，所以要产生 1310nm VCSEL至今仍然很困难。
2、本文将提出几种产生 1310nm VCSEL 的方法，这些方法已经经过实验验证。这些方法的区别主要在两个方面的处理方法上的不同，一是如何产生高反射镜片，二是如何生成高增益活性层。本文将介绍由 Cielo Communication 公司开发的生长和制作VCSEL 激光器的工艺，这种工艺是实现低成本生产、高可靠性一维或二维 VCSEL 设备的有效方法。 高反射率镜片 对任何激光器而言，用来形成激光共振腔的镜片都是非常关键的部件。由于 VCSEL 激光器腔体体积相对边沿发射激光器的小，因此 VCSEL 的镜片必须具备更强的反射能力。在VCSEL 设备中使用的镜片叫做分布式布拉格反射镜(DBR)。D
3、BR 有一个独特的性质，即在一个很窄的波长范围内具有高反射率。DBR 通常由两种折射率不同的材料构成，这两种材料交替生长，形成一个具有多个层对(layer pair)的结构。DBR 镜片的反射性能由结构中的层数、每一层的厚度、结构中所采用的两种材料的折射率，以及每一层的吸收和散射特性决定。在业界，DBR 结构已经广为人知并已经使用多年，还可以通过计算机对其进行建模。 在 VCSEL 的设计中，用来产生 DBR 镜片的材料非常关键。通常情况下，构成 DBR 层对的两层材料间折射率差别越大，这个层对的反射率就越高，要达到指定的总反射率所需的层对数也就越少，生产所需的时间显然就越短。因此，如何选择两
4、种折射率差别较大的材料，并保证这两种的材料与形成活性区的高质量沉积工艺兼容，就成了设计者面临的一个挑战。从较高层来说，用来生长 DBR 镜片的方法可分为三种：非外延式基片键合、介晶法和全外延生长法。 基片键合镜片(waferbonded mirror) 采用基片键合镜片技术可以生产1310nm VCSEL 激光器。基片键合技术将活性区的生长过程从镜片的生长过程中分离开，所以镜片可以由性能不同的材料生成。然而，对基于基片键合镜片的 VCSEL 器件而言，要形成一个完整功能的 VCSEL 激光器，除了需要制作集成镜片以外，还要另外完成许多沉积和制造步骤。这些步骤包括：在另外的两个基片上生长镜片；将
5、第一个镜片基片键合到活性基片上；打薄活性基片，再将第二个镜片基片键合到活性基片上；最后将键合后的镜片基片打薄。这些步骤可以有效地形成VCSEL 激光器，但整个工艺所需的额外操作步骤却增加了制作成本，也降低了成品产量。 介晶镜片(Mesomorphic Mirror) 这种镜片的生成方法由镜片沉积组成，不需要考虑晶格匹配和材料的结晶体质量。这就使设计者在为 DBR 镜片系统选择材料时可以更灵活，而且比基片键合镜片方法的工艺更简单。但是这些镜片中缺陷点很多，在长期连续工作应力下，这些缺陷点会扩散到活性区，降低设备的可靠性。因此，这种方法生成的镜片最好用在那些可靠性要求不很高的通信中。外延生长镜片
6、此种镜片生长方法由 Cielo 公司提出，该方法不像基片键合方法那样复杂，同时又解决了介晶法中存在的可靠性问题。但这种方法也有它的局限性，那就是可使用的材料品种太少。外延生长镜片材料的选择基于基底材料的选择，即选择 GaAs 还是 InP，所选材料的不匹配晶格数要在单晶生长所允许的最大范围内。在这两种基底材料构成的镜片中，GaAs 基底构成的镜片性能更好，因为它利用了从 GaAs 到 AIAs 折射率变化较大并且晶格不匹配数最少的特点。做出的镜片反射率较高(大于 99) ，并且只需 20 个制作周期就可生成。 过去，一般采用 InP 基底来产生波长较长的激光，这是因为 InGaAsP 活性区对
7、 InP 的晶格匹配比与 GaAs 的晶格匹配更好 (该活性区用来发射波长为 1.3m的光波)。但是，采用能与 InP 基底晶格匹配的材料制作而成的 DBR 镜片并没有成功实现。所以，只能采用前面提到的非外延生长镜片方法。Cielo 公司提出镜片生长方法不但可平衡现有的 GaAs/AIAs DBR 技术，还生成了一种在保持与 GaAs 基底的晶格匹配的同时，能发射 1.3m波的活性层。这种 Cielo 公司的专利方法通过采用一个 InGaAsN 活性区和一个受力层补偿区来实现 1310nm 的全外延生长(all-epitaxial)方案。 图 1 中左侧为 Cielo 提出的外延生长镜片方法，
8、它使激光器的生产过程得到了充分的简化。与之并列的是基片键合VCSEL、Fabry Perot 和 DFB 三种方法，该图将四者进行了比较。总的来说，Cielo 方法的简单性使生产过程简化，这也意味着可以提高产量，并降低成本。光通信市场概况 如今通信市场上的激光器 100都是边沿发射激光器，缺乏可选性。而边沿发射激光器的特性正是限制对网络组成设备的体积、成本以及功耗进行优化的一个主要因素。在维护和扩展光通信基础设施时，这些特性会增加成本。在短距应用中这个缺点尤其突出，因为这时系统中的器件数量比远程应用的多很多。另外，人们对带宽需求越来越大(从 OC-3 到OC-48、 OC-192 和 OC-7
9、68)，这也要求光连接提供更高的性能。VCSEL 激光技术的低成本、高性能特性，使其在目前，甚至今后通信应用中成为最佳选择。 由于技术的局限性和应用特性要求的不同，可以将通信领域中出现的技术划分为几个逻辑组，见表 1。该表从 SR-1(一种采用 1310nm 激光实现 12 公里光纤连接的技术)到 LR-2(一种采用 1550nm 激光实现 80 公里光纤连接的技术) ，按光连接距离从远到近的顺序描述了几种光连接应用。从表中可以看出，随着连接距离的增大，对光设备的要求也增加，因此，根据不同的应用领域，些技术自然地被分成不同段。 对大多数 1310nm 的通信应用而言，采用基于 1310nmVC
10、SEL 激光的模块所带来的最直接的好处就是降低功耗(最多可降低 50) 和成本(成数量级降低 )。如表 2 中阴影部分所示，1310nmVCSEL 激光在短距应用、中等距离应用和许多 LR1 远程应用的设计中，可以直接代替 FP 和 DFB 激光。通常， 1310nmVCSEL 技术还主要用于城域网和接入网应用中。正是在这些应用对带宽的要求日益增加，也正是在这些应用中，VCSEL 技术最容易推动完成从传统系统向光系统的转换。VCSEL 技术的低成本是推动短距网络从传统网络结构向光网络转换的一个关键因素。这个新兴市场每年就有大约 150 亿美元的规模，并且随着人们对光网络系统的带宽需求不断增加，
11、这个数值还会成指数增长。 如今，在通过光缆构建网络的技术中，除了已经比较成熟的 SONET 网络技术以外，超短距(VSR)连接的新技术正快速地发展起来。 VSR 连接的作用距离从 100 米到 2 公里，能为城域接入设备提供高速连接，见图 2。随着网络用户的稳定增长，这种技术发展很快，为城域接入网提供设备的厂商也越来越多，要想可靠地将不同厂商生产的设备互联，需要给VSR 连接制定一个标准。VSR 连接的数量越来越多，接入速度越来越快，降低成本的压力也随之变得越来越大。于是，物美价廉的 VCSEL 激光就成了 VSR 应用中最理想的激光光源。 1310nmVCSEL 激光器能实现的其它一些概念和
12、系统结构 1310nmVCSEL 激光器的应用并不仅限于 SONET 连接，器固有的特性使它也同时成为许多其它应用的理想选择。例如，它可用于那些要求光缆具有更高速度、更高密度、更小功率和更低成本的应用中，这些应用包括： 1. 光纤到户(FTTH) 和光纤到路边(FTTC) 光纤到户和光纤到路边会带给终端用户更快的接入速度，以满足当前和将来对带宽的需求。有了 FTTH 或 FTTC，家庭和小型商业机构就能够享用视频电话、高速因特网连接，以及超过 1000 个频道的数字电视和数字音频等服务，而所有这些信息都通过一条光纤传输。 光纤到户方案在实现过程中遇到的最大阻碍有两个，一是缺少一种性价比较高的光
13、源，二是大规模采用光纤成本过高。人们普遍认为，当前可用于 FTTH 的 1.3 微米和 1.5 微米光源价格太昂贵，不适合大量使用。这种高成本是由很多因素造成，包括到每一个家庭的连接很可能都需要一根专用的光纤，于是也就需要一个单独的光发射机。正如前面所述，1310nm VCSEL 激光器与边沿发射激光器相比，其性能更优越，价格更低，可靠性也更高。所以，要想在每户都实现光纤连接，采用 VCSEL 激光器是一个必然的选择。 2. 微机电系统(MEMS) 基于 MEMS 的光交换机和所有光交叉连接器(OXC)都可能大大改变光网络。这些 OXC“交换网络”的规模现在可以是88 到 10001000，今
14、后几年其规模还会更大。而厂商要在竞争中赢得市场，必须综合考虑功耗、交换机规模以及端口密度等关键因素。 基于 MEMS 的光交换机要求有几百个(甚至几千个) 经准直的光输入和输出。对这种光连接量要求很大的交换机而言，基于 1310nmVCSEL 激光的器件是最理想、最具成本效益的解决方案。将来，可以将高速(10Gbps)直接调制激光源直接集成到光交换机结构中去，从而构成庞大的一维甚至二维 1310nmVCSEL 激光阵列。这样，网络功能会大大增加，同时设备成本也会降低。 3. 高密度阵列 VCSEL 激光器在基片上的沿面取向，适用于二维矩阵阵列。边沿发射激光器则只能在一维平面上生成阵列，因此不能
15、满足将来二维应用的要求。目前正在研究如何用 VCSEL 技术开发线性阵列产品。如果再将驱动器和接收机通过封装和单片化的方式集成起来，可以进一步降低光纤通信系统的组件数目、互联密度和成本。采用二维阵列可以大大提高互联密度，VCSEL 在发展大型的二维并行光路由和互联系统方面是一种理想的选择。由于其平面配置和高度集成的潜力，很多其它光发射技术的有关问题在这种技术中都不复存在。如果这种研究取得成功，1310nm VCSEL 激光器技术将打开一条通往真正光学计算和宽带动态光交换的道路。 本文结论： 个人计算机技术的进步、因特网接入日益普及、IP 应用得到空前发展，这一切都要求有新的通信系统出现来满足不
16、断增长的带宽需求。政治短距离通信应用中，1310nmVCSEL 技术将占据主导地位。不久的将来，在那些性能和成本比较敏感的应用中，传统边沿发射激光器会被 1310nm VCSEL 激光器代替。而且，随着 VCSEL 技术的发展，这种替换将会越来越多。1310nmVCSEL 技术的巨大的潜力甚至可能超越现有的应用，形成新一代的光通信系统。 目前，将多个 VCSEL 激光器集成到单基底上的研究正在进行中，这种技术有望实现一些边沿发射激光器件无法实现的应用。而这些新应用又会进一步推动 VCSEL 技术的发展，从而必然使 VCSEL 激光固有的可集成性得到进一步提高。将来这种高集成度的光设备会从根本上改变人们设计通信系统和计算机系统的方式，它可能会以我们无法预见也无法想象的方式真正改变未来。
