發布日期：2022-07-15 點擊率：45
1310nm VCSEL激光器具有低成本、高性能的特點,而如何生長具有高性能反射鏡片是實現1310nm VCSEL激光器的關鍵。本文介紹了幾種生長和制作VCSEL激光器鏡片的方法,并概要介紹了光通信市場概況和1310nm VCSEL激光器幾種應用概念。
1310nm VCSEL激光器一直是通信行業中理想的激光光源。1310nm VCSEL技術結合了VCSEL技術和最佳通信波長的優點,實現了高性能和低成本。但要產生1310nm的VCSEL激光器需要一些性能獨特的半導體材料,所以要產生1310nm VCSEL至今仍然很困難。本文將提出幾種產生1310nm VCSEL的方法,這些方法已經經過實驗驗證。這些方法的區別主要在兩個方面的處理方法上的不同,一是如何產生高反射鏡片,二是如何生成高增益活性層。本文將介紹由Cielo Communication公司開發的生長和制作VCSEL激光器的工藝,這種工藝是實現低成本生產、高可靠性一維或二維VCSEL設備的有效方法。
高反射率鏡片
對任何激光器而言,用來形成激光共振腔的鏡片都是非常關鍵的部件。由于VCSEL激光器腔體體積相對邊沿發射激光器的小,因此VCSEL的鏡片必須具備更強的反射能力。在VCSEL設備中使用的鏡片叫做分布式布拉格反射鏡(DBR)。DBR有一個獨特的性質,即在一個很窄的波長范圍內具有高反射率。DBR通常由兩種折射率不同的材料構成,這兩種材料交替生長,形成一個具有多個層對(layer pair)的結構。DBR鏡片的反射性能由結構中的層數、每一層的厚度、結構中所采用的兩種材料的折射率,以及每一層的吸收和散射特性決定。在業界,DBR結構已經廣為人知并已經使用多年,還可以通過計算機對其進行建模。
在VCSEL的設計中,用來產生DBR鏡片的材料非常關鍵。通常情況下,構成DBR層對的兩層材料間折射率差別越大,這個層對的反射率就越高,要達到指定的總反射率所需的層對數也就越少,生產所需的時間顯然就越短。因此,如何選擇兩種折射率差別較大的材料,并保證這兩種的材料與形成活性區的高質量沉積工藝兼容,就成了設計者面臨的一個挑戰。從較高層來說,用來生長DBR鏡片的方法可分為三種:非外延式基片鍵合、介晶法和全外延生長法。
基片鍵合鏡片(wafer-bonded mirror)
采用基片鍵合鏡片技術可以生產1310nm VCSEL激光器。基片鍵合技術將活性區的生長過程從鏡片的生長過程中分離開,所以鏡片可以由性能不同的材料生成。然而,對基于基片鍵合鏡片的VCSEL器件而言,要形成一個完整功能的VCSEL激光器,除了需要制作集成鏡片以外,還要另外完成許多沉積和制造步驟。這些步驟包括:在另外的兩個基片上生長鏡片；將第一個鏡片基片鍵合到活性基片上；打薄活性基片,再將第二個鏡片基片鍵合到活性基片上；最后將鍵合后的鏡片基片打薄。這些步驟可以有效地形成VCSEL激光器,但整個工藝所需的額外操作步驟卻增加了制作成本,也降低了成品產量。
介晶鏡片(Mesomorphic Mirror)
這種鏡片的生成方法由鏡片沉積組成,不需要考慮晶格匹配和材料的結晶體質量。這就使設計者在為DBR鏡片系統選擇材料時可以更靈活,而且比基片鍵合鏡片方法的工藝更簡單。但是這些鏡片中缺陷點很多,在長期連續工作應力下,這些缺陷點會擴散到活性區,降低設備的可靠性。因此,這種方法生成的鏡片最好用在那些可靠性要求不很高的通信中。
外延生長鏡片
此種鏡片生長方法由Cielo公司提出,該方法不像基片鍵合方法那樣復雜,同時又解決了介晶法中存在的可靠性問題。但這種方法也有它的局限性,那就是可使用的材料品種太少。外延生長鏡片材料的選擇基于基底材料的選擇,即選擇GaAs還是InP,所選材料的不匹配晶格數要在單晶生長所允許的最大范圍內。在這兩種基底材料構成的鏡片中,GaAs基底構成的鏡片性能更好,因為它利用了從GaAs到AIAs折射率變化較大并且晶格不匹配數最少的特點。做出的鏡片反射率較高(大于99%),并且只需20個制作周期就可生成。
過去,一般采用InP基底來產生波長較長的激光,這是因為InGaAsP活性區對InP的晶格匹配比與GaAs的晶格匹配更好(該活性區用來發射波長為1.3μm的光波)。但是,采用能與InP基底晶格匹配的材料制作而成的DBR鏡片并沒有成功實現。所以,只能采用前面提到的非外延生長鏡片方法。Cielo公司提出鏡片生長方法不但可平衡現有的GaAs/AIAs DBR技術,還生成了一種在保持與GaAs基底的晶格匹配的同時,能發射1.3μm波的活性層。這種Cielo公司的專利方法通過采用一個InGaAsN活性區和一個受力層補償區來實現1310nm的全外延生長(all-epitaxial)方案。
圖1中左側為Cielo提出的外延生長鏡片方法,它使激光器的生產過程得到了充分的簡化。與之并列的是基片鍵合VCSEL、Fabry Perot和DFB三種方法,該圖將四者進行了比較。總的來說,Cielo方法的簡單性使生產過程簡化,這也意味著可以提高產量,并降低成本。
光通信市場概況
如今通信市場上的激光器100%都是邊沿發射激光器,缺乏可選性。而邊沿發射激光器的特性正是限制對網絡組成設備的體積、成本以及功耗進行優化的一個主要因素。在維護和擴展光通信基礎設施時,這些特性會增加成本。在短距應用中這個缺點尤其突出,因為這時系統中的器件數量比遠程應用的多很多。另外,人們對帶寬需求越來越大(從OC-3到OC-48、OC-192和OC-768),這也要求光連接提供更高的性能。VCSEL激光技術的低成本、高性能特性,使其在目前,甚至今后通信應用中成為最佳選擇。
由于技術的局限性和應用特性要求的不同,可以將通信領域中出現的技術劃分為幾個邏輯組,見表1。該表從SR-1(一種采用1310nm激光實現12公里光纖連接的技術)到LR-2(一種采用1550nm激光實現80公里光纖連接的技術),按光連接距離從遠到近的順序描述了幾種光連接應用。從表中可以看出,隨著連接距離的增大,對光設備的要求也增加,因此,根據不同的應用領域,些技術自然地被分成不同段。
對大多數1310nm的通信應用而言,采用基于1310nmVCSEL激光的模塊所帶來的最直接的好處就是降低功耗(最多可降低50%)和成本(成數量級降低)。如表2中陰影部分所示,1310nmVCSEL激光在短距應用、中等距離應用和許多LR1遠程應用的設計中,可以直接代替FP和DFB激光。通常,1310nmVCSEL技術還主要用于城域網和接入網應用中。正是在這些應用對帶寬的要求日益增加,也正是在這些應用中,VCSEL技術最容易推動完成從傳統系統向光系統的轉換。VCSEL技術的低成本是推動短距網絡從傳統網絡結構向光網絡轉換的一個關鍵因素。這個新興市場每年就有大約150億美元的規模,并且隨著人們對光網絡系統的帶寬需求不斷增加,這個數值還會成指數增長。
如今,在通過光纜構建網絡的技術中,除了已經比較成熟的SONET網絡技術以外,超短距(VSR)連接的新技術正快速地發展起來。VSR連接的作用距離從100米到2公里,能為城域接入設備提供高速連接,見圖2。隨著網絡用戶的穩定增長,這種技術發展很快,為城域接入網提供設備的廠商也越來越多,要想可靠地將不同廠商生產的設備互聯,需要給VSR連接制定一個標準。VSR連接的數量越來越多,接入速度越來越快,降低成本的壓力也隨之變得越來越大。于是,物美價廉的VCSEL激光就成了VSR應用中最理想的激光光源。
1310nmVCSEL激光器能實現的其它一些概念和系統結構
1310nmVCSEL激光器的應用并不僅限于SONET連接,器固有的特性使它也同時成為許多其它應用的理想選擇。例如,它可用于那些要求光纜具有更高速度、更高密度、更小功率和更低成本的應用中,這些應用包括:
1. 光纖到戶(FTTH)和光纖到路邊(FTTC)
光纖到戶和光纖到路邊會帶給終端用戶更快的接入速度,以滿足當前和將來對帶寬的需求。有了FTTH或FTTC,家庭和小型商業機構就能夠享用視頻電話、高速因特網連接,以及超過1000個頻道的數字電視和數字音頻等服務,而所有這些信息都通過一條光纖傳輸。
光纖到戶方案在實現過程中遇到的最大阻礙有兩個,一是缺少一種性價比較高的光源,二是大規模采用光纖成本過高。人們普遍認為,當前可用于FTTH的1.3微米和1.5微米光源價格太昂貴,不適合大量使用。這種高成本是由很多因素造成,包括到每一個家庭的連接很可能都需要一根專用的光纖,于是也就需要一個單獨的光發射機。正如前面所述,1310nm VCSEL激光器與邊沿發射激光器相比,其性能更優越,價格更低,可靠性也更高。所以,要想在每戶都實現光纖連接,采用VCSEL激光器是一個必然的選擇。
2. 微機電系統(MEMS)
基于MEMS的光交換機和所有光交叉連接器(OXC)都可能大大改變光網絡。這些OXC“交換網絡”的規模現在可以是8×8到1000×1000,今后幾年其規模還會更大。而廠商要在競爭中贏得市場,必須綜合考慮功耗、交換機規模以及端口密度等關鍵因素。
基于MEMS的光交換機要求有幾百個(甚至幾千個)經準直的光輸入和輸出。對這種光連接量要求很大的交換機而言,基于1310nmVCSEL激光的器件是最理想、最具成本效益的解決方案。將來,可以將高速(10Gbps)直接調制激光源直接集成到光交換機結構中去,從而構成龐大的一維甚至二維1310nmVCSEL激光陣列。這樣,網絡功能會大大增加,同時設備成本也會降低。
3. 高密度陣列
VCSEL激光器在基片上的沿面取向,適用于二維矩陣陣列。邊沿發射激光器則只能在一維平面上生成陣列,因此不能滿足將來二維應用的要求。目前正在研究如何用VCSEL技術開發線性陣列產品。如果再將驅動器和接收機通過封裝和單片化的方式集成起來,可以進一步降低光纖通信系統的組件數目、互聯密度和成本。采用二維陣列可以大大提高互聯密度,VCSEL在發展大型的二維并行光路由和互聯系統方面是一種理想的選擇。由于其平面配置和高度集成的潛力,很多其它光發射技術的有關問題在這種技術中都不復存在。如果這種研究取得成功,1310nm VCSEL激光器技術將打開一條通往真正光學計算和寬帶動態光交換的道路。
本文結論:
個人計算機技術的進步、因特網接入日益普及、IP應用得到空前發展,這一切都要求有新的通信系統出現來滿足不斷增長的帶寬需求。政治短距離通信應用中,1310nmVCSEL技術將占據主導地位。不久的將來,在那些性能和成本比較敏感的應用中,傳統邊沿發射激光器會被1310nm VCSEL激光器代替。而且,隨著VCSEL技術的發展,這種替換將會越來越多。1310nmVCSEL技術的巨大的潛力甚至可能超越現有的應用,形成新一代的光通信系統。
目前,將多個VCSEL激光器集成到單基底上的研究正在進行中,這種技術有望實現一些邊沿發射激光器件無法實現的應用。而這些新應用又會進一步推動VCSEL技術的發展,從而必然使VCSEL激光固有的可集成性得到進一步提高。將來這種高集成度的光設備會從根本上改變人們設計通信系統和計算機系統的方式,它可能會以我們無法預見也無法想象的方式真正改變未來。
