垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器（VCSEL）具有可調(diào)控的光斑形貌、易于二維集成、窄光譜寬度、尺寸小等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，尤其是VCSEL具有較高的波長(zhǎng)溫度穩(wěn)定性與無(wú)腔面損傷特性，在工作溫度要求苛刻的高溫環(huán)境下具有極為優(yōu)秀的工作表現(xiàn)。

 

近日，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王立軍院士團(tuán)隊(duì)受邀在《光子學(xué)報(bào)（Acta Photonica Sinica）》發(fā)表封面綜述文章：《高溫工作垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器現(xiàn)狀與未來(lái)（特邀）》。本文首先介紹VCSEL溫度特性，分析高溫環(huán)境下VCSEL主要優(yōu)勢(shì)——波長(zhǎng)穩(wěn)定性與高溫低功耗特點(diǎn)的理論原因；然后介紹量子精密測(cè)量、數(shù)據(jù)中心應(yīng)用典型的高溫VCSEL發(fā)展現(xiàn)狀；最后對(duì)高溫工作VCSEL未來(lái)的發(fā)展方向及潛在應(yīng)用領(lǐng)域做簡(jiǎn)要分析。

 

激光器的工作波長(zhǎng)由其腔內(nèi)振蕩結(jié)構(gòu)決定，因而VCSEL的工作波長(zhǎng)由激光器兩側(cè)的DBR反射鏡結(jié)構(gòu)，以及中心的發(fā)光區(qū)材料層結(jié)構(gòu)決定。由下圖可以看出，多層的DBR材料對(duì)形成了寬的反射譜；反射譜的中心波長(zhǎng)位置出現(xiàn)明顯的凹陷，稱(chēng)之為腔模位置，在該位置如果僅有DBR的話(huà)，則會(huì)是整個(gè)反射譜反射率最高處。隨著工作溫度的增加，DBR的反射譜整體向著長(zhǎng)波方向漂移，同時(shí)腔模位置向著長(zhǎng)波方向漂移，但是整個(gè)反射譜的形狀與反射率幾乎沒(méi)有變化。DBR反射鏡的中心波長(zhǎng)隨溫度的漂移速率大約為0.06 nm/℃，比常規(guī)的高功率邊發(fā)射激光器的波長(zhǎng)漂移速度（0.3 nm/℃）低一個(gè)數(shù)量級(jí)。在高溫環(huán)境下對(duì)波長(zhǎng)敏感的原子傳感等探測(cè)測(cè)量應(yīng)用中，VCSEL具有很明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

 

20對(duì)GaAs/AlAs組成的DBR反射鏡在不同溫度下的反射譜

 

激光器的模式增益，是指激光器出光波長(zhǎng)位置可以獲取的材料增益。常規(guī)的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器出光波長(zhǎng)由量子阱的增益峰位置決定，其模式增益基本與發(fā)光區(qū)材料的增益變化趨勢(shì)一致。對(duì)于VCSEL，雖然發(fā)光區(qū)材料的增益在高溫下會(huì)出現(xiàn)衰減，然而整個(gè)器件的閾值、功率等特性卻不一定會(huì)隨之衰減，這是因?yàn)閂CSEL的出光波長(zhǎng)是由DBR反射鏡及發(fā)光區(qū)共同組成的振蕩腔結(jié)構(gòu)決定的。由于VCSEL出光波長(zhǎng)隨溫度漂移較慢（0.06 nm/℃），而發(fā)光區(qū)的增益峰隨溫度漂移較快（約為0.3 nm/℃），因此VCSEL的增益水平可以通過(guò)增益譜與腔模的相對(duì)位置來(lái)進(jìn)行調(diào)整。下圖為典型的工作溫度變化引起的VCSEL增益譜與腔模相對(duì)位置變化情況。VCSEL在高溫下并不會(huì)比邊發(fā)射激光器獲得更高的光增益，但是可以通過(guò)腔模設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)模式增益變化趨勢(shì)的調(diào)控以抑制增益快速衰減的趨勢(shì)，在高溫下獲得穩(wěn)定的增益水平。

 

 

 

增益峰—腔模失配型VCSEL增益譜與腔模隨工作溫度變化關(guān)系

 

通過(guò)增益—腔模失配設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)VCSEL在高溫下的閾值電流特性與室溫下類(lèi)似。同時(shí)，VCSEL的斜率效率、功率等參數(shù)也將在高溫下有著比較好的表現(xiàn)。VCSEL的功耗水平、波長(zhǎng)、功率、效率等關(guān)鍵參數(shù)在不同工作溫度下發(fā)生很小的波動(dòng)，這對(duì)VCSEL在量子精密測(cè)量等對(duì)功耗比較敏感的領(lǐng)域得到應(yīng)用具有重要意義。

 

量子精密測(cè)量技術(shù)是采用原子的量子效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)基本物理量如時(shí)間、磁場(chǎng)和角速度的測(cè)量，目前已有的量子精密測(cè)量裝置包括芯片原子鐘、量子磁強(qiáng)計(jì)與量子陀螺儀。量子精密測(cè)量技術(shù)需要實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)的尺寸，則必須采用低功耗、可貼片式集成的激光光源。同時(shí)，為保證原子氣室內(nèi)的原子有足夠高的活性，整個(gè)物理核心部分需要加熱至高溫環(huán)境，由于激光光源距離原子氣室非常近，因而核心的激光光源必須在高溫下長(zhǎng)期工作。2000年，美國(guó)NIST的KITCHING J等報(bào)道采用VCSEL進(jìn)行芯片級(jí)的相干布居俘獲（CPT）原子鐘原理驗(yàn)證的結(jié)果，其結(jié)構(gòu)如下圖所示，由此開(kāi)啟了采用VCSEL開(kāi)發(fā)量子精密測(cè)量裝置的研究領(lǐng)域。VCSEL作為量子精密測(cè)量系統(tǒng)的核心光源，主要用于系統(tǒng)內(nèi)部高溫原子氣體的激活、檢測(cè)等功能。量子精密測(cè)量技術(shù)要求VCSEL在高溫環(huán)境下必須具備低功耗、窄線寬、單模、單偏振等高性能指標(biāo)，是VCSEL領(lǐng)域的頂尖技術(shù)。本文對(duì)量子精密測(cè)量堿金屬原子泵浦高溫VCSEL進(jìn)行分析，并對(duì)其國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷程與進(jìn)展現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹。

 

 

 

芯片原子鐘典型物理結(jié)構(gòu)

 

國(guó)際上美國(guó)Sandia實(shí)驗(yàn)室，德國(guó)ULM大學(xué)及俄羅斯Ioffe研究所等單位是該領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)研究單位。中科院長(zhǎng)春光機(jī)所王立軍院士團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)率先布局量子精密測(cè)量高溫VCSEL方向，代表該領(lǐng)域國(guó)內(nèi)最高研究水平。團(tuán)隊(duì)寧永強(qiáng)、張建偉、張星、周寅利等人陸續(xù)提出增益腔模失配設(shè)計(jì)方法、高階光柵偏振控制方法、微納浮雕模式調(diào)控方法等一系列創(chuàng)新性研究方法，經(jīng)過(guò)近十年研究，實(shí)現(xiàn)芯片原子鐘專(zhuān)用VCSEL達(dá)到國(guó)際同等水平，為我國(guó)量子精密測(cè)量技術(shù)發(fā)展以及在未來(lái)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

 

數(shù)據(jù)中心是人類(lèi)信息化社會(huì)的象征，目前人類(lèi)對(duì)信息通信的依賴(lài)程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出想象，已經(jīng)無(wú)法脫離數(shù)據(jù)中心。未來(lái)隨著5G時(shí)代的到來(lái)，實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)將會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)處理量帶來(lái)數(shù)量級(jí)的提升，隨之而來(lái)的是數(shù)據(jù)中心帶來(lái)的巨大能耗需求。因而僅僅依靠采用改善散熱環(huán)境來(lái)降低能耗的方法不可持續(xù)，提高數(shù)據(jù)中心內(nèi)部元器件可耐受的高溫工作溫度不失為另一個(gè)良好的解決辦法。VCSEL是數(shù)據(jù)中心短距離光互聯(lián)通信的核心光源。近年來(lái)，980 nm VCSEL的高速特性及低功耗特性受到人們廣泛關(guān)注，尤其是柏林工業(yè)大學(xué)，針對(duì)數(shù)據(jù)中心應(yīng)用需求提出了“綠色光子學(xué)”概念，在高溫高速低功耗VCSEL研究中做了大量研究工作。本文分析了數(shù)據(jù)中心能耗問(wèn)題帶來(lái)的高溫高速VCSEL需求，并對(duì)850 nm與980 nm兩個(gè)波段的高溫高速VCSEL發(fā)展歷程進(jìn)行了介紹。美國(guó)伊利諾伊大學(xué)，瑞典查爾姆斯理工大學(xué)，德國(guó)柏林工業(yè)大學(xué)以及我國(guó)臺(tái)灣國(guó)立交通大學(xué)等長(zhǎng)期研究高溫高速VCSEL，從VCSEL器件結(jié)構(gòu)、制備公司到封裝方式開(kāi)展優(yōu)化，報(bào)道了一系列較好結(jié)果。柏林工業(yè)大學(xué)針對(duì)數(shù)據(jù)中心應(yīng)用需求提出了“綠色光子學(xué)”概念，在高溫高速低功耗980nm VCSEL研究中做了大量研究工作；VIS公司采用量子點(diǎn)發(fā)光區(qū)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了VCSEL高達(dá)180℃的高速調(diào)制。

 

 

 

用于光互連的980 nm高速VCSEL的橫截面示意

 

VCSEL在體積、功耗、光束質(zhì)量等特性方面具有無(wú)可比擬的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在其誕生四十余年間，不斷推動(dòng)著傳感、通信等領(lǐng)域關(guān)鍵核心系統(tǒng)向著低功耗與小型化方向發(fā)展。量子精密測(cè)量技術(shù)是未來(lái)頂尖的精密傳感技術(shù)，數(shù)據(jù)中心是人類(lèi)信息化發(fā)展的基礎(chǔ)，兩者均對(duì)VCSEL的高溫工作能力提出了迫切需求。傳感與通信技術(shù)的進(jìn)步對(duì)信息社會(huì)發(fā)展影響深遠(yuǎn)。作為這兩大領(lǐng)域的核心元器件，新的高溫工作VCSEL技術(shù)無(wú)疑具有重要研究意義；消費(fèi)電子3D傳感、自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)等廣闊市場(chǎng)未來(lái)將帶動(dòng)高溫高功率VCSEL激光列陣技術(shù)的發(fā)展，為高溫VCSEL帶來(lái)巨大的市場(chǎng)價(jià)值。

 

該文章的第一作者是長(zhǎng)春光機(jī)所張建偉教授，通訊作者是寧永強(qiáng)教授。長(zhǎng)春光機(jī)所半導(dǎo)體激光器研發(fā)團(tuán)隊(duì)在王立軍院士、寧永強(qiáng)教授的領(lǐng)導(dǎo)下，從2002年至今在高性能VCSEL芯片研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面成果斐然：團(tuán)隊(duì)曾于2004年在國(guó)際上首次報(bào)道了輸出功率達(dá)到1瓦以上的VCSEL芯片；2010年報(bào)道了在襯底表面集成微透鏡的低發(fā)散角VCSEL芯片；2011年報(bào)道了脈沖輸出功率92瓦的980nm VCSEL芯片；2014年報(bào)道脈沖輸出功率數(shù)百瓦的高功率VCSEL芯片和模組；2018年報(bào)道了面向激光雷達(dá)應(yīng)用的905nm百瓦級(jí)高功率VCSEL芯片；2022年報(bào)道了量子陀螺專(zhuān)用芯片國(guó)際領(lǐng)先的研究成果以及在人眼安全波段VCSEL方面的成果。

 

張建偉, 寧永強(qiáng), 張星, 周寅利, 陳超, 吳昊, 秦莉, 王立軍. 高溫工作垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器現(xiàn)狀與未來(lái)（特邀）[J]. 光子學(xué)報(bào), 2022, 51(02): 11-30.