新一代長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSEL制造技術(shù)浮出水面

Eli Kapon
BeamExpress公司

瑞士新創(chuàng)公司BeamExpress日前研制出一種針對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)單模VCSEL的高量產(chǎn)生產(chǎn)工藝，該公司創(chuàng)始人兼首席科學(xué)家Eli Kapon先生在本文中簡(jiǎn)要地分析了這種技術(shù)。

垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）目前應(yīng)用于各種不同領(lǐng)域，相比邊發(fā)射激光器而言擁有諸多優(yōu)勢(shì)，特別要指出的是VCSEL激光器擁有更低的電子功率損耗，純凈的單波長(zhǎng)操作，更容易與單模光纖耦合，與其他光元件兼容性好，封裝也更簡(jiǎn)單，由于可以實(shí)現(xiàn)在片（on-wafer）測(cè)試，所以制造成本也獲得了極大的降低。

事實(shí)上，短波長(zhǎng)（<1 μm）的VCSEL目前已經(jīng)在甚短距（<100 m）數(shù)據(jù)通訊和光互連市場(chǎng)上處于支配地位，目前在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用也日漸增多。之所以取得如此輝煌的成績(jī)主要因?yàn)橄嚓P(guān)的制造技術(shù)簡(jiǎn)單，可以跟當(dāng)前的LED制造工藝兼容。這種制造技術(shù)依靠GaAs襯底外延技術(shù)形成AlGaAs分布布拉格反射層（DBR）和(In)GaAs/AlGaAs量子阱（QW）有源區(qū)。

開始追趕

那些長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSEL，尤其工作在1310nm和1550nm等電信波長(zhǎng)上的VCSEL，對(duì)于研制那些用在LAN和MAN網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)跨度在100米到100公里）里的低成本、波長(zhǎng)可控的光源來說是一個(gè)非常吸引人的解決方案。不過這些長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)射器的研制工作相比短波長(zhǎng)的VCSEL落后了許多。原因是多方面的，比如說人們?yōu)榱双@得最好的器件性能，往往需要GaAs/AlGaAs DBR來提供一個(gè)更大的體系折射率差，更高的熱傳導(dǎo)系數(shù)，以及在100°C仍有很高光增益的InP QW有源區(qū)，所有這些要求都面臨很多挑戰(zhàn)。

當(dāng)我們要研制一種在70-90 °C溫度下發(fā)射功率至少要達(dá)到1-2 mW的VCSEL時(shí)，要解決研制過程中所出現(xiàn)的挑戰(zhàn)，采用類似III-V半導(dǎo)體材料的化合物就顯得非常重要。上面所描述的性能其實(shí)對(duì)確保企業(yè)數(shù)據(jù)和電信網(wǎng)絡(luò)的可靠運(yùn)作非常重要，而企業(yè)和電信市場(chǎng)正是被看作是長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSEL的最大應(yīng)用市場(chǎng)。

為了解決傳統(tǒng)外延工藝混合GaAs和InP結(jié)構(gòu)所面臨的困難，人們研制了許多新技術(shù)來制造這種器件。如高應(yīng)變量子阱（QW）或量子點(diǎn)GaAs/InGaAs有源區(qū)；稀釋氮化物的GaInNAs/GaAs有源區(qū)；基于InP的變質(zhì)DBR；配有InP有源區(qū)的電介質(zhì)反射鏡。盡管這些技術(shù)都獲得了相當(dāng)大的進(jìn)步，不過它們依舊存在諸多方面的限制，如發(fā)射波長(zhǎng)的選擇，單模輸出功率等方面。

共生關(guān)系

一種取代單襯底VCSEL制造工藝的新興技術(shù)是被稱為晶圓混合或熔合（wafer fusion）的技術(shù)。通過這種技術(shù)，生長(zhǎng)于加熱襯底上面的VCSEL腔里面的獨(dú)立成分被結(jié)合在一起，從而制作出VCSEL器件。這種技術(shù)將InP有源區(qū)和GaAs DBR有機(jī)地結(jié)合起來，產(chǎn)生了最好的VCSEL性能。

一種改進(jìn)的晶圓熔合技術(shù)——稱為局部晶圓熔合技術(shù)（localized wafer fusion）——被Nanostructures設(shè)在瑞士的物理實(shí)驗(yàn)室研制出來。在這種技術(shù)里，一層或多層晶圓表面先通過傳統(tǒng)的光刻技術(shù)構(gòu)造出來，表面結(jié)構(gòu)限定了VCSEL中的光學(xué)腔和載流子限制（carrier-confinement）區(qū)域。特別需要說明的是，這種技術(shù)可以對(duì)激光器的光學(xué)腔長(zhǎng)度進(jìn)行精確調(diào)整，即以納米級(jí)的精度設(shè)置發(fā)射波長(zhǎng)。另外，局部晶圓熔合技術(shù)可以更好地控制余下晶圓部分的熔合工藝、生產(chǎn)出可再生的高質(zhì)量熔合接口。

BeamExpress近期已經(jīng)制造出2英寸的double-fused VCSEL晶圓，具有很高的均勻度和極好的重復(fù)性，由此確立了局部晶圓熔合技術(shù)作為一種可行的規(guī)模量產(chǎn)技術(shù)的地位（見圖1）。這種晶圓采用的是業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的小管芯尺寸，因此可以在晶圓上生產(chǎn)出大量的器件。

圖2顯示了一個(gè)局部，雙晶圓熔合VCSEL。其有源區(qū)域是由數(shù)個(gè)InAlGaAs應(yīng)變量子阱和重?fù)诫sp-n隧道接合面組合而成的，通過MOCVD工藝使用硅和碳化物在一個(gè)InP襯底上生長(zhǎng)出來的。側(cè)面的電子和光學(xué)限制則通過對(duì)隧道接合面的刻蝕臺(tái)（etching mesas）設(shè)計(jì)來完成。頂部和底部DBR則分別在GaAs襯底上以21.5和35個(gè)周期進(jìn)行四分之一波長(zhǎng)厚的高低折射率交替的無摻雜A10.9Ga0.1As/GaAs材料外延形成，并分別熔合在有源材料的兩端。 

處于熔合接口（fused interface）上的臺(tái)面被lens-shaped納米狹縫環(huán)繞著，而這些納米狹縫則通過熔融晶圓的塑性變形（plastic deformation）形成的。電流通過n型腔內(nèi)層穿過隧道接合面進(jìn)入有源區(qū)。而由刻蝕臺(tái)面環(huán)繞的反向偏壓p-n接合面則提供了有效的側(cè)向電流保護(hù)。

最優(yōu)化操作
圖3顯示了發(fā)射波長(zhǎng)分別是1310nm和1550nm的器件在不同溫度下的光-電流-電壓關(guān)系。對(duì)器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)導(dǎo)致在所有溫度范圍內(nèi)對(duì)兩波長(zhǎng)的閥值電流均小于3mA，二極管電壓低于2.5V。當(dāng)溫度在85 °C時(shí)，1340 nm單模光功率為1.2mW，1510 nm單模光功率為1.6mW。并且在所有測(cè)試溫度下的單模抑制比均好于35dB（圖4）。

要選擇的波長(zhǎng)要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)的CWDM柵格來操作，這已經(jīng)被一種mesa-trimming技術(shù)演示過，該技術(shù)貫穿了先前的光學(xué)腔長(zhǎng)度設(shè)定以及后來的熔合步驟。同樣重要的是，BeamExpress的局部晶圓熔合VCSEL所具備的高單模功率是在沒有損害光束形狀和直接調(diào)制速度的情況下獲得的。通過使用7 μm直徑的孔徑，1310 和1550 nm VCSEL分別獲得了半最大值全寬（FWHM）為7.5和9.5°的圓形對(duì)稱基模光束。這些光束的形狀能以很高的耦合效率進(jìn)入單模光纖內(nèi)（當(dāng)使用透鏡方式時(shí)，1300nm和1550nm波長(zhǎng)的效率分別是80%和70%，若是采用對(duì)接耦合的方式，則兩種波長(zhǎng)的耦合效率均為50%）。采用這兩個(gè)波段的器件都可以實(shí)現(xiàn)3.125Gb/s的直接調(diào)制，下一步我們將研制出外調(diào)制速度達(dá)10Gb/s的VCSEL。

BeamExpress的器件在85°C的溫度環(huán)境下展現(xiàn)出的單模輸出功率是其他1310和1550nm VCSEL的兩到三倍。主要原因是BeamExpress有效地改善了VCSEL與單模光纖的耦合效率，這些VCSEL現(xiàn)在可以有實(shí)力取代那些邊發(fā)射分布反饋式（DFB）激光器了，當(dāng)在高溫（70-90°C）的環(huán)境中工作時(shí)，BeamExpress的VCSEL所產(chǎn)生的功耗僅僅是同類別DFB邊發(fā)射激光器的十分之一。

極低的功耗可以使這些VCSEL封裝進(jìn)更加緊湊，小巧的模塊內(nèi)，為制造新一代低成本、高性能光收發(fā)器打開了一條快速捷徑�？梢哉f，在不久的將來，這些VCSEL肯定會(huì)在光模塊尺寸和成本的壓縮方面扮演重要角色。
其中一個(gè)例子就是10G-BASE-LX4收發(fā)器，這種收發(fā)器采用4個(gè)CWDM波長(zhǎng)來進(jìn)行10GbE傳輸。在這里，BeamExpress的VCSEL技術(shù)將為多波長(zhǎng)激光器陣列的多路復(fù)用提供實(shí)質(zhì)性的成本節(jié)約，并使之成為非�？尚械母吡慨a(chǎn)低成本制造技術(shù)。另外，在1310和1550nm電信波段高效工作的VCSEL也可以生產(chǎn)出8通道的CWDM VCSEL陣列，如果采用water-free光纖的話，還可以制造出更多通道的VCSEL陣列。

BeamExpress目前正聯(lián)合其生產(chǎn)合作伙伴來共同優(yōu)化局部晶圓熔合長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSEL的高量產(chǎn)生產(chǎn)技術(shù)。一種全自動(dòng)化的晶圓熔合工藝結(jié)合后來的處理步驟（類似短波長(zhǎng)VCSEL制造技術(shù)所建立的步驟）預(yù)示著極具競(jìng)爭(zhēng)力的芯片成本將成為可能。該公司目前正全力加強(qiáng)對(duì)該技術(shù)各層面的可靠性測(cè)試，并已經(jīng)取得鼓舞人心的成果。長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSEL原型樣品也已經(jīng)交給數(shù)個(gè)用戶手里供他們?cè)u(píng)估，相信不久就會(huì)獲得大規(guī)模的商用。

作者簡(jiǎn)介
Eli Kapon是BeamExpress公司的創(chuàng)始人和首席科學(xué)家。