应用1300nm VCSEL进行远程通信

利用长波长VCSEL新结构器件,设计人员可在未来的广域网和城域网(WAN/MAN)光纤通信系统建设中节省大量开支。本文介绍VCSEL的基本概念、器件制造的难点、解决方案和应用前景。

随着通信基础设施中光纤应用的普及,成本驱动力促使设计人员寻求技术创新。对于某些设计人员而言,一种解决方案是根据近程和远程通信链路的需要采用不同的激光技术。尽管直腔表面发射激光(VCSEL)技术可极大地降低生产和测试的成本,从而更好地控制基础设施建设的成本,但至今为止,VCSEL技术仍然主要用于近程数据通信链接的建设。

这是因为几乎所有的商用VCSEL只工作于850nm,至今为止,在远程通信链路应用中1,300nm或1,550nm波长的VCSEL器件仍然没有实用化。许多远程通信链路仍然需要采用更高成本的技术,如Fabry Perot激光(FPL)和分布反馈激光(DFBL)技术。

但是,近年来VCSEL技术在可制造性方面获得了重大进展,使生产1,300nm VCSEL器件的成本大为降低,因而显著降低了光纤链路建设的成本。除了降低激光部件的原材料成本,减小形状也有利于降低整个系统的复杂度和成本,并为具备密集空分激光阵列的端口的密度进行优化创造了条件。

VCSEL的基本概念

顾名思义,直腔激光由垂直堆叠的高反射率的反射镜生成,夹在两个反射镜之间的是若干层光发射半导体量子肼。为实现VCSEL反射镜必需的高反射率,大约需要30个单独的半导体层来构成每个反射镜。整个VCSEL结构大约为10微米厚,它能通过直径为5至25微米的孔垂直发射激光。

从生产成本角度看,VCSEL的优势在于可同时对上万个器件进行加工直至完成。相比之下,边缘发射器件,如FPL或DFBL需通过晶体分裂工艺形成激光反射镜平面。这个冗长的分裂进程必须在单个器件或多排器件中进行,产生的反射光是否为激光尚待测定。另外,在分裂平面上要覆盖光学薄膜。因为在进行边缘处理之前必须将晶圆分割为离散的裸片或多排器件,这道工序及其随后的测试和封装成本就显著增加,而成品率也降低了。

采用VCSEL技术,整个激光发射结构及其校准就相当完整,在晶圆加工阶段不会受到损伤。从测试的观点看,当VCSEL器件仍处于晶圆状态时,可以利用高效的半导体步进测试方法完整地测试每个VCSEL器件。

边缘发射激光器要在测试前进行切割、分离和部分封装处理。VCSEL技术与之不同,它使互连元件制造商可以将与测试相关的成品率损失转移到低成本的晶圆生产阶段。

此外,边缘发射器的封装成本比典型IC高得多,因为在位于封装边缘的裸片、基片、引线框和光耦合点之间,必须保持严格的校准关系。对紧密封接边缘发射激光器的严格要求以及不对称输出光束相关的校准困难都是显著增加整个封装成本的原因。

与之相反,VCSEL技术有效地采用了大批量标准IC生产中的多数成熟工艺。VCSEL无须紧密封接就能获得高可靠性,因为其有源区域掩埋在表面之下几个微米之处,它不存在暴露的有源平面。非密封VCSEL封装可用塑料取代陶瓷来实现,因而进一步降低材料成本。

VCSEL具备成本低得多的光耦合结构,连接器耦合误差在5至10微米之间,而边缘发射器需要1微米的误差,显然后者的要求高得多。

符合远程通信应用1310nm标准并具成本效益的VCSEL工艺一直被视为建立下一代光通信基础架构的核心环节。通过提高远程通信和数据通信网络中的端口密度,1.3微米VCSEL器件全面降低了城域网和广域网的光链路成本。图1所示为晶圆表层和垂直发射激光的1310nm VCSEL器件的低成本简单加工工艺与目前应用广泛的、昂贵的DFBL器件的边缘发射特性及其复杂工艺的对比。

将VCSEL技术移植到1.3微米范围内面临的主要难题在于需将高效反射镜和有源光发射区制做在同一裸片上。

一般的金属反射镜只反射大约90%到95%的入射光。由于VCSEL器件实在太小,因而要求反射率更高,至少应达到99.5%以上。这可以采用分布式布拉格(Bragg)反射镜(DBR)实现。DBR通过将20到30种不同的透明材料的交叉层叠构成,每层厚约为1/4波长,相邻两层材料的折射率各不相同。通过相长干涉,DBR界面上的所有反射累加形成对特定波长具有高反射率的反射镜。

对DBR材料的要求有两点。首先,相邻两层材料的折射率必须明显不同以实现高反射率；其次这些材料特性必须与生成有源域的基片材料的特性相容。有源域是基片上实际光发射结构的一部分,它由数个将电子和空穴结合产生光子的量子肼组成。

生成DBR的最佳材料是砷化铝(AlA)和砷化镓(GaAs),这些合金材料已广泛用于850 nm和980nm VCSEL器件中。AlA和GaA具有明显不同的折射率和相对较高的导热率。然而由于在晶体外延形成中必须满足晶格常数的要求,两种材料只能在GaAs基片上形成。

这与现有的商用1.3微米边缘发射FPL和DFBL器件明显不同,后两者在具有较大晶格常数的磷化铟(InP)基片上生成(GaAs的晶格常数为5.65埃, InP的晶格常数为5.87埃)。InP是生成1.3微米有源域的良好基底,因为目前还没有找到折射率差异足够大、导电性和导热性足够高、可在InP上生成的材料,因而也就无法移植生成1.3微米VCSEL器件所需的DBR反射镜。

新设计方法利用由氮砷化铟镓(InGaAsN)组成的不同类型有源区生成长波长VCSEL,InGaAsN可直接在GaAs基片上形成。这能使1.3微米有源区与由业已成熟的AlA和GaAs材料形成的DBR反射阵列平滑地集成到相同的基片上。

Sandia实验室的研究人员通过用InGaAsN材料制成的边缘发射1.3微米激光器验证了这个概念,实验有助于研究人员仔细研究该材料的特性和品质。由于InGaAsN本身具有与GaAs基片相容的特性,而GaAs基片又是可靠生产850nm VCSEL的基础,因而制造商用1.3微米 VCSEL就相对简单。

吸收光的问题

在长波长VCSEL开发中至关重要的基本问题是在反射镜中传送电流的p型载流子吸收光的问题。在VCSEL中,一个反射镜(通常是底部反射镜)通常涂覆n型载流子,它向量子肼供应电子；另一反射镜(顶部反射镜)涂覆p型载流子,它向量子肼提供空穴。当电子流和空穴流交汇在未涂覆载流子的有源域时,它们将陷入量子肼并互相抵消,然后生成光子。

该过程可通过现存光子在激光腔内来回反射来激发。当采用这种方式激发光子发射时,发射出来的光子具有与原始光子相同的波长和相位。

1.3微米 VCSEL遇到的难题是p型材料在1300nm吸收的光比在850nm或980nm吸收的光大得多,因而难以设计具有充分低的吸收率、能发射激光并为量子肼提供空穴的结构(损耗太大就不能发射激光)。Sandia实验室开发的1.3微米VCSEL技术采用一种称为隧道结的技术来解决光的吸收问题。

隧道结在顶部反射镜中将电子转换为空穴,它是一种一端涂覆n型载流子而另一端涂覆p型载流子的二极管。这样,VCSEL可在顶部和底部都产生不吸收光的n型反射镜。然后在量子肼正前方,来自顶部的n型载流子转换为空穴,与来自底部的电子重新结合。图2所示为Sandia实验室参与制造的1.3微米VCSEL的横截面。氧化孔与隧道结的结合有助于在GaAs基片上构造VCSEL器件。

利用InGaAsN新材料、隧道结和业已成熟的VCSEL设计/生产技术,生成高效、电泵1.3微米 VCSEL器件就成为可能,从而使更长波长的远程光链路能够利用VCSEL的低成本、可靠和优异的性能。

本文总结

1.3微米VCSEL的实用化带给设计人员的不仅仅是激光器件的低成本。与昂贵的FPL相比,VCSEL技术不仅使部件成本下降至少10倍,而且更具吸引力之处在于功耗更低、模块设计更简洁以及端口密度更高。图3所示为长波长VCSEL的光谱,该光谱具有优异的边模抑制(side-mode suppression)特性和窄的谱线宽度。

VCSEL的驱动功率较低,外围收发器电路比驱动FPL器件电路简单得多。另外,VCSEL出众的光发射能力有助于设计人员降低成本和光连接到光纤结构的复杂度,并明显降低系统级成本及安装和/或检查光网络故障所需的人工费用。

展望未来,1.3微米 VESEL更小的尺寸、更低的功耗和VCSEL技术固有的简单光纤耦合为经济地实现1310nm光接口的极高密度阵列奠定了基础。利用VCSEL除了获取更高的物理密度以外,还有利于提高支持电路的芯片级集成,如利用VCSEL的低功率要求将多个激光驱动器集成到单个裸片上。

实际上,1.3微米VCSEL的实用化对于当前大多数远程应用具有深远的影响,这些应用包括OC-3、OC-12、OC-48和OC-192的SONET速率。目前,上述应用领域大部分采用边缘发射和DFBL解决方案,这些方案与长波长VCSEL方案相比,基片尺寸更大、价格更高、所需的能量和产生的热量也更多。

启用新的VCSEL设计不仅能明显降低远程链路实现的成本,而且能快速利用业已广泛应用的单模光纤以及构成现有通信基础设施的1310nm技术基础。

作者:Andrew Jackson