vcsel垂直腔面发射激光器阵列及其应用

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1、VCSEL垂直腔表面发射激光器阵列及其应用VerticalCavitySurfaceEmittingLaserArrayanditsApplications罗风光、曹明翠、周新军、罗志祥、徐军、袁菁（华中科技大学激光技术国家重点实验室，武汉430074）LuoFengguang,CaoMingcui,ZhouXinjun,LuoZhixiang,XunJun,YuanJing(StateKeyLab.ofLaserTechnology,HuazhongUniversityofScience&Technology,Wuhan430074)摘要本文描述了VCSEL垂直腔表面发射激光

2、器及其列阵器件的结构和特性，概述了VCSEL激光器的优点，介绍了VCSEL激光器列阵在宽带光通信、高性能并行处理计算机群机系统和星载自由空间并行处理光交换系统中的应用。关键词：VCSEL，半导体激光器，光收发阵列,光互连，并行光传输中图分类号：TN248文献标识码：AAbstract:Theconfigurationandcharacteristicsofverticalcavitysurfaceemittinglaser(VCSEL)anditsarrayaredescribedinthispaper.TheadvantagesofVCSELarelistedsummaril

3、y.TheseveralapplicationsofVCSELinbroadbandopticalcommunication,high-performanceparallelprocessingcomputerclustersystemandsatellite-carriedfree-spaceparallelprocessingopticalswitchingsystemareintroduced.Keywords:VCSEL,Semiconductorlaserdiode,OpticalTransceiverarray,Opticalinterconnect,Paralle

4、lopticaltransmission1引言垂直腔表面发射激光器VCSEL（Verticalcavitysurfaceemittinglaser）是近年来迅速发展起来的一种新型的有源半导体激光器件。1977年日本东京工业大学KenichiIga教授领导的研究小组首次提出了垂直腔表面发射激光器VCSEL的构想，当时的主要目的是想通过采用缩短腔长的方法，获得稳定的动态单纵模工作的半导体激光器，以提高光通信的能力。1991年，美国Bell实验室的J.L.Jewell等人研制成功了在室温下运行的860nm波长的GaAlAs/GaAsVCSEL阵列芯片。1996年，美国Honeywel

5、l公司率先研制出商用的VCSEL器件，随后又成立了一个VCSELPhotonicDivision，专门从事VCSEL的产品化开发工作，将VCSEL芯片推向市场。经过短短几年的时间，VCSEL芯片、列阵器件及其光收发模块的研究取得了很大进展并已进入实用化，吸引了一些新的公司从事VCSEL产品的开发研究和生产，如欧美的Molex、Finisar、Lasermate、Emcore公司，韩国的Optowell公司和台湾的Truelight等公司。VCSEL激光器及其列阵器件在光纤数据通信、并行处理计算机系统、光互联网络等领域显示出广泛的应用前景1-5。2VCSEL结构和特性VCSEL激

6、光器是一种化合物半导体有源器件，与传统的边发射半导体激光器侧面发光的结构不同，VCSEL激光器采用表面发射激光束的方式，光斑呈圆形对称分布。VCSEL结构原理图如图1所示。VCSEL主要由多量子阱（MQW）有源层构成的光学腔和上下两组高反射率的分布反馈布拉格反射镜（DBR）组成。通过隐埋工艺或离子注入工艺，形成高阻区，将注入电流限制在一个圆形狭小的区域中，VCSEL谐振腔在垂直表面方向，腔长约10mm，其谐振腔的两个反射镜与边发射半导体激光器的晶体解理面不同，而是高反射率的分布反馈布拉格反射镜DBR。图1VCSEL结构图VCSEL激光器的特性主要表现在：1．从芯片表面垂直发射光

7、束，光斑呈圆形，光束质量好，发光效率高；2．阈值电流低，<1mA；3．输出功率mw量级；4．工作波长：780nm,850nm,980nm,1300nm,1550nm；5．工作模式：单纵模或多纵模；6．发散角小，~10°左右，呈圆形对称分布；7．发光区域小，Æ10mm量级；8．易于耦合，耦合功率高(>1mW)；9．易于制作一维或二维光发射列阵；10．低功耗；11．低相干性；12．低温度敏感性；13．高可靠性；14．高寿命，25°C，10mA工作电流下平均无故障寿命（MTFF）达3.3×107小