Tunable vertical cavity surface emitting lasers

与传统的边发射激光器不同，垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emithing laser, VCSEL)是一种光垂直于衬底表面发射的新型激光器^[1]。自20世纪70年代被发明以来，VCSEL在光通信、光互联和光存储等领域都得到了广泛应用，并且在高性能计算机(high performance computing, HPC)、磁光记录仪、原子钟、电子控制产品(激光成像和制导、激光雷达)等领域也具有广泛的应用前景。VCSEL除了可在同一衬底上并列集成多个器件外，还具有圆形对称光斑、体积小、阈值低、单纵模、耦合效率高、调制速率高^[2]等诸多优点。

一般的VCSEL器件发射波长是不变的。在密集波分复用通信系统(dense wavelength division multiplexing, DWDM)^[3]中，若要得到波长不同的光需要将多个VCSEL集成在一起，这样会造成系统不稳定并增加了生产成本。至此，波长可调谐VCSEL的提法便应运而生。20世纪90年代初，美国加州大学伯克利分校的CHANG-HASNAIN研发出了第1个波长可调谐的VCSEL，波长调谐范围为19nm^[4]。在近几十年的发展过程中，可调谐VCSEL的调谐范围大大增加，调谐方式也更为丰富，具体可分为静电调谐、压电调谐、电热调谐和液晶调谐4种调谐方式。国内外主要的研究机构有：中国科学院半导体研究所、长春理工大学、北京工业大学、德国达姆施塔特工业大学、法国布列塔尼欧洲大学和比利时根特大学等。

VCSEL发出的光垂直于芯片表面，正是基于这一特性，使得VCSEL易于2维集成形成阵列。同时VCSEL腔长极短使其纵模间距大^[5]，所以容易得到单纵模输出。VCSEL具有小的谐振腔体积，其自发辐射因子远远高于边发射激光器，能够达到极低阈值条件下激射，极大地降低了器件的功耗和热能耗，延长了器件的使用寿命。从工艺上来讲，VCSEL制作工艺与平面硅工艺完全兼容，方便与其他电子器件实现光电子集成^[6]。可调谐激光器最初是通过改变层厚进行调谐，由于调谐范围非常窄，便在激光器的制作过程中引入了空气隙这一概念，利用空气隙厚度的变化使VCSEL的有效腔长发生改变。

垂直腔面发射激光器的谐振腔是一种Fabry-Pérot(F-P)结构。激光器工作状态下谐振腔中会产生多种光波，但是只有满足驻波条件的光波才可在腔内形成有效振荡，光子在谐振腔中往返光程的相位差是2π的整数倍，即4πnL/λ=2mπ，所以这里谐振条件可表示为：

式中，L为等效腔长，n为等效折射率，m为整数，λ为谐振波长。从(1)式可以看出，若要使谐振波长发生变化，可以改变激光器的等效腔长或等效折射率。静电调谐、压电调谐和电热调谐等调谐方法都是使悬臂梁或微机电系统(micro-electro-mechanical system, MEMS)结构上下移动，从而改变空气隙大小，使等效腔长发生改变。由(1)式可知，等效腔长变化，波长也随之改变。

图 1所示是MEMS可调谐VCSEL的结构示意图。它由上下两对掺杂类型不同的分布式布喇格反射镜(distributed Bragg reflector, DBR)反射镜组成。上DBR是可以移动的，下DBR固定并与衬底相连。空气隙和有源区位于上下DBR之间。在有源区两侧加电压可形成电流，产生受激辐射。空气层两端加电压后，在静电力的作用下，P型DBR可上下移动，改变谐振腔的长度。下式是中心波长与各个参量的变化关系：

式中，r表示F-P腔的光学常数，L_eff是有效腔长，ΔL表示谐振腔的改变量。这是一种在静电激励下的调谐方法，把静电激励改为热电调谐也可产生同样的效果。即上DBR由于电流的注入所产生的热量而发生形变，导致空气层厚度的变化。由(1)式可知，将空气隙换成其它材料，保持这种材料的厚度不变，改变折射率也可以使波长发生改变。向列相液晶^[7]在3V~10V的调谐电压下，可以改变液晶的折射率，在可调谐VCSEL中是一种非常理想的调谐材料。

可调谐VCSEL主要由可移动上DBR、可变空气隙、有源区和下DBR构成，这是一种标准的F-P谐振腔结构^[8]。将折射率不同、厚度为光波长1/4的光介质层叠起来可构成DBR反射镜。反射率越高则需要这两种介质的折射率差越大。为了满足激射条件，DBR反射镜需要具有较大的反射率。介质可有较大的折射率差，而且吸收很少，所以DBR反射镜只需增加多层膜的层数即可提高反射率。半导体材料的DBR反射镜相比于绝缘材料的DBR反射镜其不同介质之间的折射率差并不是很大，因此为了得到高的反射率需要多个介质薄膜对，一组半导体DBR反射镜通常由20对~40对介质薄膜组成。一般的VCSEL结构可分为上、中、下3个部分，几十纳米厚的量子阱发光区位于上下DBR反射镜之间，有源区发出的光在上下DBR之间来回震荡，经过多次放大后满足激射条件的光由顶部出射。图 2是可调谐VCSEL的结构示意图。该结构主要由三部分组成：可移动上DBR反射镜、有源区和底部N型DBR反射镜。底部N型DBR是由多对半导体材料组成，可移动上DBR包括P型DBR、可变空气隙和N型DBR。电压加在P型DBR和底部N型DBR上可使激光器发生激射，在顶部N型DBR和P型DBR上加反向偏压可以改变空气层的厚度，调谐波长大小。

静电调谐、压电调谐和电热调谐这3种调谐方式下的可调谐VCSEL主要由半VCSEL和MEMS结构组成。静电调谐方式最初采用的是单悬臂梁结构，为了提高MEMS在调谐过程中的稳定性，单悬臂梁结构逐渐演变为双悬臂梁结构、四悬臂梁结构。图 3是四悬臂结构的静电可调谐VCSEL^[9]。电极通电后四悬臂梁MEMS结构在静电力的作用下发生弯曲变形，改变了谐振腔的长度。

在微机械压电激励可调谐VCSEL中，基本结构是34对N型下DBR反射镜，GaAs量子阱有源区层，可移动的上DBR反射镜。上DBR反射镜又可为3部分：4对P型DBR，可变化的空气隙，15对由悬臂梁结构支撑的N型DBR。上DBR是P-I-N型结构，由掺杂类型不同的Al_xGa_1-xAs材料构成。如图 4所示，当施加反向电压时，垂直方向上的电场就会穿过Ⅰ型压电层使其弯曲变形。悬臂梁的偏移就会改变空气隙的大小，达到波长调谐的目的^[10]。图中, ε为纵向应变，M_p为等效弯曲力矩，δ为偏移量，V为电压。

如图 5所示是电热方式可调谐VCSEL的结构^[11]，它的悬臂梁结构与以上两种调谐方式的不同。该悬臂梁由热层电极、SiO₂、N型掺杂层即热层和AlGaAs DBR构成。由于AlGaAs DBR的热膨胀系数约是SiO₂的10倍，热层电极加调谐电压引起的温度变化会使悬臂梁发生形变，最终引起腔长的改变。

2011年，CASTANY等人制备出如图 6所示的内腔液晶VCSEL结构。该结构是通过改变液晶的折射率实现波长调谐。上DBR为SiO₂/TiO₂介质薄膜，下DBR采用Si/SiN_x介质薄膜。器件的有源结构通过分子束外延(molecular beam eritaxy, MBE)在InP晶体上生长，由3个8nm厚的InGaAs量子阱构成。器件采用光抽运激励，施加电压小于3V，在1500nm通信波段实现了超过30nm的调谐^[12]。

1994年，美国加利福尼亚大学CHANG-HASNAIN的科研团队^[13-15]采用静电激励的方式，制作了微机械单悬梁臂结构可调谐VCSEL，并得到20nm的调谐效果。1998年, LI等人采用Al_0.1Ga_0.9As/Al_0.9Ga_0.1As材料做DBR, 第1次用顶发射的方式代替了传统的衬底发射, 以最大调谐电压26.1V，中心波长935nm，获得了31.6nm调谐范围，最大输出功率为1.6mW，阈值电流则为1.2mA~4.5mA^[16]。由于VCSEL的调谐范围受到1/3原则的限制，为了尽可能地提高VCSEL的调谐性能，HUANG等人又采取压电激励的方式来制备可调谐VCSEL^[17]。该设备中上反射镜的结构为P-I-N型，中间的Ⅰ层是压电晶体，调谐过程中需要在上反射镜两边加电压，从而在Ⅰ层中产生电场使压电晶体产生形变来达到波长调谐的目的。目前, 空气隙的变化量为150nm，调谐范围可达到30nm。

1997年，斯坦福大学的SUGIHWO，LARSON等人采用静电激励的微机械介质薄膜作为可移动上反射镜来制作可调谐VCSEL，实现了968nm附近，波长调谐19.1nm，阈值电流为0.34mA的可调谐VCSEL^[18]，如图 7所示。2011年，北京工业大学光电子实验室采用静电激励微机械双臂结构制作的可调谐VCSEL在980nm附近实现了调谐电压为7V时，18.8nm的波长连续调谐范围^[19]。

半对称腔压电可调谐垂直腔面发射激光器的示意图如图 8所示。与其它结构不同的是，这种器件的上DBR是由可形变薄膜组成的。1998年TAYEBATI等人设计出了曲率半径为320μm的上DBR反射镜^[20]，在所加电压为13V的条件下实现了从863nm~833nm共30nm的调谐范围。

德国达姆施特塔大学的RIEMENSCHNEIDER等人于2003年采用光抽运激励，制作出中心波长1550nm的半对称腔可调谐VCSEL，输出功率为0.5mW，波长连续调谐范围为24nm^[21], 如图 9所示。2004年，又将波长调谐范围增大到40nm^[22]。2011年, 他们又采用电子束蒸镀SiO_x/SiN_y介质薄膜作为弯曲上反射镜的方法制作出表面微机械可调谐VCSEL, 最大输出功率为3.5mW，边模抑制比为45dB，调谐范围达102nm。图 10中, L_air为空气层长度，L_s为半导体长度，L_{DBR, t}为光场在上DBR中穿透深度，L_{DBR, b}为光场在下DBR中的穿透深度，w₀为光束束腰。

随着可调谐VCSEL研究的深入，2006年, 法国布列塔尼欧洲大学光学系的LEVALLOIS和CAILLAUD等人研制出了第1个工作在C波段的非机械式可调谐VCSEL。如图 11所示，器件主要由五部分组成：上下衬底、上下DBR和相位调制层。下DBR采用InP/In_0.63Ga_0.37As_0.8P_0.2材料生长在InP衬底上，上DBR采用电子束蒸镀SiO₂/TiO₂介质薄膜，沉积在玻璃衬底上。相位调制层由聚合物分散型液晶组成，光学厚度为波长的6倍，提供一个各向异性的折射率变化来调谐激光器的出射波长。对液晶层施加电压，液晶在电压的作用下o光的折射率不变，e光的折射率减小，两束光对应的谐振腔长度发生改变，在激光器中所对应的腔模波长分离，从而实现波长调谐。所制造的中心波长1550nm的激光器在调谐电压为0V~150V的情况下实现了大约10nm的调谐范围，边模抑制比大于20dB^[24]。

液晶和VCSEL芯片的组合方式可以有效控制出射光的波长^[25]和偏振状态^[26]，液晶分子的方向则是通过施加电压控制。从技术层面上考虑，将液晶置于VCSEL外比内腔液晶VCSEL技术上更易实现。

图 12是外腔液晶VCSEL结构示意图。它是由比利时根特大学的XIE和BEECKMAN等人于2012年研制的^[27]。图中，λ为波长，d为液晶厚度。图 12a中包含了VCSEL、间隔物、正负电极和玻璃基板。850nm单模VCSEL(ULM850-singlemode)被放置在液晶盒中，芯片的尺寸是250μm×250μm×150μm。上ITO层使用光刻图案来定义VCSEL的阳极以及给液晶层施加电压的电极。左右氧化玻璃(indiumtin oxide, ITO)层间的间距是4μm。一层偶氮染料SD1被旋转涂布于上基底，作为液晶的配向膜。硅间隔物位于上下ITO电极之间，直径是30μm±0.1μm。液晶层的厚度由这些间隔物的直径决定。在图 12b中，用线偏振紫外(ultraviolet, UV)光照射液晶盒，分子的定向遵循紫外偏振光的方向，这使得液晶分子平行排列，如图 12c所示。图 12d中是加电压后液晶分子的排列情况。通过在液晶层施加电压可以控制出射激光的偏振态，当所加电压接近液晶的阈值电压时，则偏振态主要由激射光的角度决定。

该团队于2014年又制备了液晶层厚度更薄的外腔液晶VCSEL器件^[28]，如图 13a所示。液晶层的厚度也就是硅间隔物的直径是10μm±0.1μm。顶部介质反射镜由多个周期性的SiO₂/Ta₂O₅双层膜组成，它们的厚度分别为120nm和84nm。介质反射镜和顶部玻璃衬底的透射率如图 13b所示。图 13c图所示是液晶指向矢的角度以及两种偏振状态。P_x, P_y分别为x方向和y方向的偏振, θ为液晶分子偏转的角度。调谐加在液晶层上的电压使液晶的折射率发生变化，外腔的光学厚度随之改变，达到调谐波长和偏振态的目的^[29]。所使用的E7液晶在厚度为20μm的条件下达到了2nm的波长调谐范围。

采用静电激励方式的可调谐VCSEL具有较快的响应速度，通过减小空气隙的长度，波长蓝移，但由于存在1/3定则限制了VCSEL的波长调谐范围。压电激励的方式可以克服这一定则限制，得到更宽的波长调谐范围。另外压电激励能够消减静电方式由于吸合效应对MEMS系统造成的不可逆转的损坏。热电激励的方式是通过增大空气隙的长度、波长红移^[30]、电热效应引起的温度变化增加了系统的不稳定性。上述悬臂梁和薄膜结构的VCSEL在调谐过程中易受到温度、振荡等外界因素的影响，性能不稳定且制作成本高昂。通过改变腔体折射率的液晶调谐方式能够弥补这些缺点，获得连续稳定的波长输出，但由于液晶自身折射率的限制导致波长调谐范围较小。

随着研究的深入和工艺技术的提高，可调谐VCSEL的性能得到了极大的改善。目前，大多数MEMS结构和液晶结构的可调谐VCSEL都具有边模抑制比高、波长稳定输出、封装技术易于实用化等特点。可调谐VCSEL在实验室中可模拟整个波段的单波光源进行相关实验，在DWDM光通信中可自动实施通道层的保护。可调谐VCSEL在光网络中可根据波长的具体使用情况选择所需波长的光，这极大地节约了成本、增强了光网络系统的灵活性和便捷性。随着市场与技术的双重驱使，相信在不久的将来可调谐VCSEL定会以极高的性价比在光通信等领域中得以广泛地应用。