VCSEL在光通信中的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀

賀傳峰    毛陸虹   戴居豐    
（天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300072）

摘要：介紹了垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）的結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn)，它的高性價比、高集成度等優(yōu)點(diǎn)決定了其在高速并行光互連、寬帶以太網(wǎng)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，成為光通信領(lǐng)域的新光源。討論了當(dāng)前VCSEL產(chǎn)品的市場現(xiàn)狀和VCSEL技術(shù)的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵字：垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）；光互連；并行光通信技術(shù)
中圖分類號：TN218

1 引言

在VCSEL誕生之前，傳統(tǒng)的邊發(fā)射激光器一直在光通信中扮演著主要角色。盡管這些年來，邊發(fā)射激光器在結(jié)構(gòu)優(yōu)化，制造技術(shù)，工作特性以及應(yīng)用領(lǐng)域方面都取得了巨大進(jìn)展，但仍存在一些不足。比如在芯片解理之前，不能進(jìn)行單個器件的基本特性測試；光束發(fā)散角過大且呈橢圓狀；不易構(gòu)成二維光源陣列；而且制造成本也仍然偏高。正是在這樣的背景下誕生了垂直腔面發(fā)射的激光器。VCSEL是光從垂直于半導(dǎo)體襯底表面方向出射的一種半導(dǎo)體激光器，具有模式好、閾值低、穩(wěn)定性好、壽命長、調(diào)制速率高、集成高、發(fā)散角小、耦合效率高、價格便宜等很多優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)樵诖怪庇谝r底的方向上可并行排列著多個激光器，所以非常適合應(yīng)用在并行光傳輸以及并行光互連等領(lǐng)域，它以空前的速度成功地應(yīng)用于單通道和并行光互聯(lián)，以它很高的性能價格比，在寬帶以太網(wǎng)、高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)中得到了大量的應(yīng)用。

2 VCSEL的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

典型的VCSEL結(jié)構(gòu)如圖1所示，其有源區(qū)由多量子阱組成，有源區(qū)上下兩邊分別由多層四分之一波長厚的高低折射率交替的外延材料形成的DBR，相鄰層之間的折射率差使每組疊層的Bragg波長附近的反射率達(dá)到極高(＞99％)的水平，需要制作的高反射率器的對數(shù)依據(jù)每對層的折射率而定，激光器的偏置電流流過反射器，它們是高摻雜的以便減小串聯(lián)電阻．由一組少量的量子阱提供光增益，典型的量子阱數(shù)為1至4個，它們被置于駐波圖形的最大處附近，以便獲得最大的受激輻射效率而進(jìn)入振蕩場。出射光方向可以是頂部或襯底，這主要取決于襯底材料對所發(fā)出的激射光是否透明以及上下DBR究竟那一個取值更大一些。

VCSEL與傳統(tǒng)邊發(fā)射激光器不同的結(jié)構(gòu)帶來了許多優(yōu)勢：小的發(fā)散角和圓形對稱的遠(yuǎn)、近場分布使其與光纖的耦合效率大大提高，現(xiàn)已證實(shí)與多模光纖的耦合效率竟能大于90％；VCSEL的光腔長度極短，導(dǎo)致其縱模間距拉大，可在較寬的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)單縱模工作，動態(tài)調(diào)制頻率高；腔體積減小使得其自發(fā)輻射因子較普通端面發(fā)射激光器高幾個數(shù)量級，這導(dǎo)致許多物理特性大為改善；可以在片測試，極大地降低了開發(fā)成本；出光方向垂直襯底，可實(shí)現(xiàn)高密度二維面陣的集成；最吸引人的是它的制造工藝與發(fā)光二極管(LED)兼容，大規(guī)模制造的成本很低。

由于AlAs／GaAs DBR的高反射率、高熱傳導(dǎo)率和良好的導(dǎo)電特性，以及AlAs氧化技術(shù)的開發(fā)，850nm VCSEL技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，批量生產(chǎn)成本較低。由于其優(yōu)異的性能，850nm的VCSEL已經(jīng)主宰了單通道短距離光學(xué)互連的市場，如IEEE 802．3千兆以太網(wǎng)1000Base—Sx系列標(biāo)準(zhǔn)中就采用低成本850nm VCSEL作為光源。用在并行傳輸多通道發(fā)送機(jī)模塊中的一維VCSEL陣列也有產(chǎn)品進(jìn)入市場。

在光纖通信系統(tǒng)中，1.3µm和1.55µm的長波長激光光源是不可缺少的關(guān)鍵性器件，主要由邊發(fā)射的FP及DFB半導(dǎo)體激光器占領(lǐng)市場。目前投入到實(shí)際應(yīng)用的VCSEL主要集中在波長在850/980nm范圍內(nèi)，適合于短距離傳輸。而人們正在將目光更多集中到長波長VCSEL的研制中，希望能將波長為1.3µm和1.55µm的VCSEL應(yīng)用到并行光通信領(lǐng)域中，實(shí)現(xiàn)長距離的并行光傳輸。長波長l300、l550nm波段的VCSEL目前的技術(shù)水平還達(dá)不到850nm波段成熟的程度，存在很多的問題，如：價帶間吸收較大；體系DBR折射率差太小，需要多層，熱導(dǎo)率也很小，難以高溫操作；批量生產(chǎn)工藝復(fù)雜等�？茖W(xué)家們通過引入各種技術(shù)和開發(fā)新材料、新工藝，在長波長帶的VCSEL方面也取得了很大進(jìn)展，器件性能水平有了很大提升。

3  VCSEL的市場現(xiàn)狀和應(yīng)用前景

目前VCSEL市場空前發(fā)展，并在北美替代高價位的LD用于千兆、萬兆以太數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的建設(shè)，導(dǎo)致了高速VCSEL收發(fā)模塊需求爆炸性地增長。雖然目前通信市場萎縮，但據(jù)美國E1ectroniCast公司最近預(yù)測，全球用于光通信的VCSEL激光收發(fā)機(jī)的需求量在未來5年內(nèi)仍將以每年35％的速率遞增，到2006年將達(dá)到20億美元。未來的中國將是最大的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)市場，利用VCSEL／Pin陣列實(shí)現(xiàn)10 Gbit／s乃至40 Gbit／s的甚短距離(VSR)并行光互聯(lián)及大容量交換設(shè)備和傳輸設(shè)備間高密度的背板連接，將會大大促進(jìn)國內(nèi)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)和通信設(shè)備的發(fā)展。

由于VCSEL價格非常低廉，一般各大公司不會推出單獨(dú)的VCSEL模塊，而是應(yīng)用在自己的并行光收發(fā)器上推出其成熟的應(yīng)用VCSEL的產(chǎn)品。如Infineon公司推出的V23814-U1306-M130并行光模塊，電源3.3V供電，LVDS接口，12路并行光傳輸，每路速率250-1600Mbit/s，總傳輸速率達(dá)到19Gbit/s，采用850nmVCSEL技術(shù)和62.5um2多模光纖，傳輸距離可達(dá)200m。

molex公司相應(yīng)的VCSEL產(chǎn)品如圖3所示，它的單道速率可達(dá)2.5Gbps,總傳輸速率達(dá)30Gbit/s。從圖中可以看出采用VCSEL的系統(tǒng)都具有小型化、集成度高、使用方便的特點(diǎn)。

SiRES LABS公司推出適用于甚短距離(VSR)應(yīng)用的單片集成光收發(fā)器SRL3101NS，傳輸速率達(dá)3.125Gbps。SRL3101NS集成了互阻放大器(TIA)、限幅放大器(LA)、VCSEL驅(qū)動器及LVDS接口，可作為獨(dú)立的器件。該產(chǎn)品發(fā)送及接收的傳輸速率為1Gbps至3.125Gbps且消耗功率最高為250mW，具有數(shù)字及模擬控制和監(jiān)測功能，與VCSEL和PIN/APD共同使用適用于甚短距離應(yīng)用，如千兆位以太網(wǎng)、SONET VSR鏈接、內(nèi)部系統(tǒng)、底板、SAN、光纖通道及兆兆位路由器和交換機(jī)。 該產(chǎn)品為單電源3.3V供電，峰－峰抖動時間為20ps(PRBS23)，調(diào)制和偏置電流為10mA(分別可通過一個外部的模擬電壓控制或通過標(biāo)準(zhǔn)I2C接口及內(nèi)部電阻進(jìn)行數(shù)字控制)，具有集成的溫度傳感器和內(nèi)部閉環(huán)反饋電路，用于溫度補(bǔ)償，無需額外光敏二極管監(jiān)控。SRL3101NS裸片尺寸為1.6×2.2mm，提供裸片或封裝，具有大的引腳間距。

在長波長VCSEL應(yīng)用方面，E2O通訊公司日前研制出一種電子泵浦長波長垂直腔表面發(fā)射激光器（LW VCSEL），從而實(shí)現(xiàn)了技術(shù)上的突破，具有重要的實(shí)用價值。該激光器產(chǎn)生的激光波長范圍在1270nm到1610nm之間，適用于LAN，城域網(wǎng)，數(shù)據(jù)通信以及電信領(lǐng)域的應(yīng)用。Picolight公司目前正在上市其新型收發(fā)器，這款收發(fā)器支持各種長中短距離上的622、155 以及125Mbit/s互連，是一小型熱插拔SFP收發(fā)器，具有數(shù)字診斷功能，功耗僅為400mW，相當(dāng)于那些普通中等距離收發(fā)器的一半。這款基于1310nm VCSEL的收發(fā)器的工作鏈路距離范圍在0到50公里之間。它的出現(xiàn)為那些SONET/SDH和以太接入網(wǎng)絡(luò)OEM提供了一個單一收發(fā)器，從而取代了那些基于不同激光器或LED技術(shù)的多種器件。Picolight的首席執(zhí)行官Swirhun表示，如果按距離劃分的話，SONET/SDH和以太接入鏈路目前已經(jīng)鋪設(shè)了8種或者更多類型的收發(fā)器，結(jié)果就導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性并增加了成本。而這款新型1310nm VCSEL的收發(fā)器則在最重要的接入領(lǐng)域幫助運(yùn)營商減少了擁有成本，統(tǒng)一了庫存，并簡化了網(wǎng)絡(luò)。而Picolight的首席技術(shù)官Jewell則表示，這些1310nm VCSEL產(chǎn)品開辟了光互連應(yīng)用的新紀(jì)元，這些收發(fā)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。完整的產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)將被確立，包括多通道收發(fā)器和電池驅(qū)動的收發(fā)器。不出兩年，這些1310nm VCSEL將在那些基于單模光纖中等距離光互連市場占據(jù)支配地位，就像現(xiàn)在850nm VCSEL在多模光纖市場的地位一樣。

目前，國際上VCSEL方面的研究主要集中在面向光通信應(yīng)用的850nm波段小功率器件，并已經(jīng)商品化，而980nm高功率VCSEL的報(bào)道還很少。國內(nèi)在980nmVCSEL的研究方面取得了突破，中科院研制出980nm大功率重直腔表面發(fā)射激光器，他們建立了高功率垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論模型，采用能帶理論計(jì)算了量子阱光增益、最佳摻雜濃度；用有限元法首次研究了底發(fā)射結(jié)構(gòu)電極間距的最佳距離等；首次采用高導(dǎo)熱A1203薄膜鈍化技術(shù)減少非輻射復(fù)合降低器件閾值電流；首次采用氧化鉿多層膜組合技術(shù)制備高透過率出光窗口等，促使研究工作取得了突破性進(jìn)展，首次研制出500μm、600μm、700μm大直徑高功率垂直腔表面發(fā)射激光器件，連續(xù)波光功率輸出均為1.95瓦。研制出200μm直徑VCSEL器件，10ns條件下峰值光功率10.5瓦，光功率密度33.4kW/cm2；300μm直徑VCSEL器件連續(xù)波光功率輸出1.11瓦，光功率密度1.57kW/cm2；上述指標(biāo)據(jù)稱均高于國際報(bào)道的同類器件。與此同時，通過高溫快速老化方法實(shí)驗(yàn)，器件的壽命達(dá)到4,500小時，相信相關(guān)產(chǎn)品很快會推向市場。

目前850nm的VCSEL技術(shù)已經(jīng)十分成熟，在采用多模光纖的短距離光互連領(lǐng)域應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，隨著長波長VCSEL的成熟，VCSEL可作為低成本高性能激光光源，在光纖通信網(wǎng)絡(luò)、高速數(shù)據(jù)傳輸、并行光互連等方面具有重大應(yīng)用前景。特別是在中、長距離高速傳輸方面具有短波長VCSEL無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。光纖接入網(wǎng)的發(fā)展和將來的光纖到戶和光纖到路邊等的實(shí)施必將給長波長VCSEL提供廣闊的市場需求空間。波長可調(diào)諧的VCSEL陣列在局域網(wǎng)、長距離超大容量信息傳輸方面的應(yīng)用有著巨大的潛力,它可提供更多的波長，使VCSEL的光空間并行性和波長特性實(shí)現(xiàn)良好的結(jié)合，極大地提高系統(tǒng)的容量和傳輸速率，是用于波分復(fù)用(WDM)網(wǎng)絡(luò)和全光網(wǎng)建設(shè)的最佳選擇。多波長激光器陣列也成為WDM系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一。

除了并行光傳輸和光互連，VCSEL在其他方面也有不錯的應(yīng)用前景。在光打印方面，激光打印機(jī)中的多邊鏡等光掃描技術(shù)的電子化是多年未能解決的課題，隨著技術(shù)的發(fā)展，已逐步得到改善。如果采用LED陣列，電能消耗是個瓶頸，而導(dǎo)入VCSEL陣列則可以解決這個問題。采用數(shù)千個VCSEL構(gòu)成的陣列形式的多光束將可能成為取代多邊鏡掃描的最好方式。相比過去的單個激光管，VCSEL的陣列集成結(jié)構(gòu)可以同時進(jìn)行多行的掃描。這可以大大提高激光打印機(jī)的掃描速度并相應(yīng)延長其使用壽命。在光顯示方面，通常的顯示器都是利用紅、綠、藍(lán)三元色發(fā)光管構(gòu)成的，如果能夠制成具有紅、綠、藍(lán)三元色的激光器，則可以應(yīng)用在大型顯示器的技術(shù)領(lǐng)域中。目前，波長范圍從藍(lán)色覆蓋到紫外波段的GaN系列激光器正處在研究階段。這個系列的VCSEL是解決未來圖像顯示的有力技術(shù)。在照明方面，VCSEL的電光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到50％以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前的照明光源，如果它的波長能從紫外波段覆蓋到可見光區(qū)，可以期待它在照明領(lǐng)域里面也能有著廣泛的應(yīng)用前景，實(shí)現(xiàn)白光照明。例如，可調(diào)節(jié)光線強(qiáng)度的室內(nèi)照明，筆記本電腦的背景燈，交通指示燈以及戶外照明燈等許多方面。另外在氣體檢測、高密度光存儲方面也有希望得到應(yīng)用。   
       
4  總結(jié)

    VCSEL的低成本、高集成度、高調(diào)制速率等特點(diǎn)使得它在萬兆以太網(wǎng)、高速并行光互連等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，未來在光纖局域網(wǎng)（LAN）中，VCSEL有機(jī)會與常規(guī)邊射型激光一較長短，并大有取代傳統(tǒng)的邊發(fā)射激光器的趨勢。VCSEL的諸多技術(shù)優(yōu)勢必將推動VCSEL技術(shù)的不斷成熟和廣泛應(yīng)用，市場前景和應(yīng)用前景廣闊。

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