1310nm vcsel激光器制造技术及应用

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1、1310nmVCSEL激光器制造技术及应用1310nmVCSEL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1310nmVCSEL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1310nmVCSEL激光器几种应用概念。1310nmVCSEL激光器一直是通信行业中理想的激光光源。1310nmVCSEL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1310nmVCSE

2、L至今仍然很困难。本文将提出几种产生1310nmVCSEL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CieloCommunication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

3、备中使用的镜片叫做分布式布拉格反射镜(DBR)。DBR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(layerpair)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

4、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(wafer－bondedmirror)采用基片键合镜片技术可以生产1310nmVCSEL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

5、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(MesomorphicMirror)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

6、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

7、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1.3μm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/AIAsDBR技术，还生成了一种在保持与GaAs基底的晶格匹配的

8、同时，能发射1.3μm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，它使激光器的生产过程得到