Вертикально-излучающие лазеры

Вертикально-излучающие лазеры (VCSEL) — «Поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором» — разновидность диодного полупроводникового лазера, излучающего свет в направлении, перпендикулярном поверхности кристалла, в отличие от обычных лазерных диодов, излучающих в плоскости, параллельной поверхности.

Первый VCSEL был создан в 1979 году группой японских учёных^[1], но лазер для работы в непрерывном режиме при комнатной температуре появился только в 1988 году^[2].

Историческая справка

Исследованием полупроводниковых гетероструктур для высокоскоростной оптоэлектроники занимались в петербургском Физтехе им. А.Ф.Иоффе с 1960-х гг. под руководством Жореса Алферова. За развитие этого направления академику Ж.И. Алферову совместно с Г.Кремером (США) была присуждена в 2000 году Нобелевская премия по физике. Технология создания на базе таких наногетероструктур сверхскоростных вертикально-излучающих лазеров (VCSEL) была запатентована в Германии.

Конструкция и производство

Схема строения вертикально-излучающего лазера

Для изготовления эпитаксиальных гетероструктур применяется промышленная технология молекулярно-пучковой эпитаксии на подложках арсенида галлия и фосфида индия. Выращивание происходит в условиях высокого вакуума. Поток вещества-источника направляется в виде пучка молекул на подложку - мишень, где происходит осаждение вещества. Так, строго дозируя поток вещества от каждого источника, можно получать полупроводниковый материал различного состава.

Современные варианты конструкции вертикально-излучающих лазеров (VCSEL) основаны на использовании вертикальных оптических микрорезонаторов с зеркалами на основе чередующихся слоев полупроводниковых материалов различного состава (например, твердых растворов AlGaAs c различным содержанием Al). При этом в качестве активной (светоизлучающей) области, как правило, используются одна или несколько квантовых ям.

Преимущества

К числу основных преимуществ VCSEL по сравнению с традиционными лазерами относятся малая угловая расходимость и симметричная диаграмма направленности выходного оптического излучения, температурная и радиационная стабильность, групповая технология изготовления и возможность тестирования приборов непосредственно на пластине. Планарная технология ВИЛ позволяет формировать интегрированные линейные массивы и двумерные матрицы с большим числом индивидуально адресуемых излучателей ^[3].

На практике для достижения высокого быстродействия необходима не только тщательная оптимизация параметров активной области, эпитаксиальной гетероструктуры в целом, а также топологии кристалла VCSEL.

Применение

VCSEL применяется в первую очередь для высокоскоростной передачи данных.На сегодняшний день VCSEL, обеспечивающие скорость передачи данных 10 Гб/с, производятся всего несколькими ведущими компаниями, преимущественно для реализации собственных передатчиков. Российская компания «Коннектор Оптикс» производит VCSEL спектрального диапазона 850 нм^[4]. В то же время, согласно утвержденным планам развития стандарта Infiniband, в кабелях следующего поколения скорость передачи данных должна составлять 26 Гбит/с. Кроме того, новый интерфейс USB 3.0 будет работать со скоростью 5 Гбит/с с возможностью подключения оптоволокна, при этом протокол передачи данных позволяет достичь 25 Гб/с в ближайшем будущем. Таким образом, на рынке существует потребность в VCSEL, обеспечивающих скорость передачи данных в диапазоне 25 Гбит/с и выше. Технология Коннектор Оптикс позволяет реализовать VCSEL спектрального диапазона 850 нм с рекордным быстродействием – до 40 Гбит/c в режиме прямой токовой модуляции.

Примечания

1. ↑ Soda, Haruhisa; et al. (1979). «GaInAsP/InP Surface Emitting Injection Lasers». Japanese Journal of Applied Physics 18 (12): 2329–2330. DOI:10.1143/JJAP.18.2329. Bibcode: 1979JaJAP..18.2329S.
2. ↑ Koyama, Fumio; et al. (1988). «Room temperature cw operation of GaAs vertical cavity surface emitting laser». Trans. IEICE E71 (11): 1089–1090.
3. ↑ Кузьменков, Александр; et al. (2008). «Полупроводниковые вертикально-излучающие лазеры на основе самоорганизующихся квантоворазмерных гетероструктур в системе материалов InGaAs-AlGaAs».
4. ↑ Коннектор Оптикс и VI Systems впервые в мире показали высокую деградационную устойчивость лазеров VCSEL со скоростями более 25 Гбит/c