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高功率VCSEL用于自由空间光通信
翻译:北京丰通丰创光电科技有限责任公司 2015年1月

概述:高功率VCSEL被用作自由空间光通信的光源。这些器件同时驱动4、9、16个点,与单点的VSCEL相似,有1个单锥形的远场图案,高的光输出功率10mw、20mw、40mw。由于多点同时驱动,即使单点的输出光功率很小,但多点的输出光功率很大。4点多模850nmVSCEL阵列的平均无故障时间,在70°C 10mW时,达到1,000,000小时。

VSCEL阵列,在标准驱动条件下,具有宽的2.5Gbps的眼图,远超过自由光空间光通信系统的需要,如HDTV发射系统。同时驱动9点16点的多模850nm VSCEL阵列,也可以在常规条件下达到2.5GHz的眼图。

同时驱动多点的VSCEL阵列,作为自由空间光通信的电源,很有用,因为高速调制和高光输出功率下的高可靠性。

1、介绍
VSCEL在光纤和空间光通信应用中,是很有吸引力的光源。最常见的VSCEL器件是选择性氧化物限制器件。由于氧化物限制VSCEL有几个优点,包括高速运行和良好的可靠性,使用850nmVSCEL的收发器在短距离链路中,具有实用价值。

空间光通信的安装,因为高的网络安全性,在全世界范围内处于增加的趋势。至今为止,LED和边发射激光器被用作空间光通信的光源。最近,为了提高数据通量,需要较高的接入速度。VCSEL对于空间光通信是一种有吸引力的光源,因为它可以在高速调制。

对于空间光通信,器件的光功率需要超过10mW。由于常规的VCSEL光功率不足以用于空间光通信,对于常规的VSCEL器件,必须增大工作电流,以获得足够高的光功率。这产生了一个多锥形的远场模式,并且远场模式的中心具有显著的凹陷。这使得器件用于空间光通信时,出现一个未连接的区域。除了远场模式的扭曲,较高的工作电流,还导致了可靠性的降低。

通常,通过增加电流限制孔的尺寸可以得到高功率VCSEL。然而,这种模式增加了对器件特性的顾虑,如低频特性和远场模式中心的凹陷。我们开发了同时驱动的VCSEL阵列,来解决这些问题。这些器件,由几个高速可靠的VCSEL器件,以50微米间距放置在一个芯片上,阳极被连接,使得它可以像一个器件一样同步驱动。在这片文章中,我们描述了如何通过同步驱动的VCSEL阵列,来控制远场模式和VCSEL的特性。

2、VCSEL的结构和设计
我们采用的氧化物限定VSCEL,具有低功耗,高频响应,高一致性,高可靠性的优点。VCSEL的外延层包括由金属氧化物沉淀的AlxGa1-xAs半导体。一个波长厚的Al0.6Ga0.4As间隔区,包含3个GaAs-Al0.3Ga0.7As量子阱,产生835nm的增益峰值。p-和n-掺杂的分布式布拉格反射镜,包含21对Al0.3Ga0.7As-Al0.9Ga0.1As层,这包含了渐变层来减少串联阻抗,另外有34.5对Al0.3Ga0.7As-Al0.9Ga0.1As层。

使用SiN的掩模,通过反应离子刻蚀,将DBR分布式布拉格反射镜作为一个圆柱。为了形成横向电流通道的氧化物孔径,通过选择性湿法氧化,形成一个30nm厚的AlAs层,放置于间隔区上方的第一个四分之一波长层。为了实现好的电连接特性,氧化后,在顶端和底端,分别制作p型环电极和n型电极。为了抑制高次模式谐振和控制远场图案FFP,器件顶端金属孔径的直径,比氧化孔径稍微小一些。

3、同步驱动多点VCSEL阵列
为了同步驱动多点VCSEL阵列,形成一个单点VCSEL,两个VCSEL之间的距离必须小。然而,VCSEL器件过于接近,会造成热串扰,并相应的降低光学输出功率。

3-1热串扰
图1,显示了输出光功率和VCSEL器件间临近距离的关系。当距离小于40微米时,光学输出功率被热串扰降低。这表明热串扰优化的VCSEL器件间距离,是50微米。


输出光功率和VCSEL器件间临近距离的关系-丰通丰创


3-2FFP控制
我们制作了一个独立驱动的2X2 VCSEL阵列,具有50微米间距,测量远场图案,来阐述相邻VCSEL对光束的影响。图2,显示了当光输出功率在5mw时,每一点VCSEL的远场图案。每一个器件的远场图案都是相似的多锥形,尽管远场图案中心的凹陷不同。凹陷变化的幅度在20%-40%之间。这表明金属孔径抑制高级次模式谐振。每个器件在5mw时的工作电流是8.11, 8.04, 8.03,和8.16mA,色散角分别是25.9°, 26.1°,24.1° and 25.0°。色散角的均匀性很好。


VCSEL远场图案-丰通丰创


图3表明同时驱动2X2阵列,在20mw时的远场图案;以及四个5mw的VCSEL芯片远场图案的和。同时驱动2X2VCSEL阵列,在20mw时的色散角是25.1°。这一数值和四个单点VCSEL在5mw时的色散角平均值相同,并具有相似的形状。20mw时2X2VCSEL阵列的工作电流是33.4mA。4个单芯片器件在5mw时工作电流的和是32.3mA。工作电流的差别大约在1%。这表明,当芯片间距为50微米时,同步驱动4个单芯片的VCSEL,输出光功率没有下降,不受热串扰的影响。


VCSEL芯片远场图案-丰通丰创

4、同步驱动2X2 VCSEL阵列
图4为2X2 VCSEL阵列的放大的俯视图。每一个点的阳极连接在一起。全部的4个点像1个VCSEL一样同时驱动。临近的VCSEL芯片距离是50微米。图5描述了同步驱动2x2VCSEL阵列时,出光功率和电压的温度依赖性,与输出电流之间的关系。在25°C 时,阈值电流和电压分别是5.39mA 和1.58V。串联电阻低到13欧姆。85摄氏度时出光功率比25摄氏度时出光功率,减少20%。


 VCSEL阵列俯视图-丰通丰创

VCSEL阵列光电曲线-丰通丰创

图6表示了,在同步驱动2X2 VCSEL阵列时,在10mw运行时,远场图案的温度 相关性。随着室温的逐步增加,色散角从25.6° 减少到23.8°。尽管中心凹陷的数量有轻微的不同,在全部温度下远场图案的形状,基本是相同的。这表明同步驱动2X2 VCSEL阵列,就光束形状而言,具有良好的温度特性。

VCSEL阵列远场图案温度相关性-丰通丰创
 

当多锥形远场图案的VCSEL用作空间光通信FSO光源时,远场图案中心的凹陷是一个重要的参数,因为以下原因:1)工作区域由光输出功率和色散角确定(当作为光源时,相对于LED,具有类高斯型的远场图案)。2)出光功率的色散角确定了工作的宽度,出光功率确定的工作的距离。

尽管它依赖于系统设计,出光功率的数值是最大出光功率的一半,因为这一数值定义了工作距离,超过这一数值的功率会被浪费。如果远场图案中心的凹陷大于50%,就会产生一个未连接的区域。我们测量了10mw时,同步驱动2X2阵列,远场图案中心凹陷量的分布。图7表明了不同工艺批次,不同基片上芯片的2X2阵列,远场图案中心凹陷量的分布。分布的峰值大约在15%左右,所有器件凹陷的数量少于50%。正如前面所说的那样,凹陷的数量对于空间光通信很重要,因为如果凹陷大于50%,会导致工作区产生未连接区域。对于空间光通信光学透镜,VCSEL可以提供一个稳定的光源。

VCSEL阵列远场图案中心凹陷分布-丰通丰创
 

图8显示了2X2 VCSEL阵列2.5Gbps的眼图。这个器件可以在标准工作条件10mw时,工作在2.5Gbps。并具有自由空间光通信FSO光学透镜优良光源所需要的调制速率。

VCSEL阵列2.5Gbps眼图-丰通丰创


同步驱动多点VCSEL具有高功率,即使单点和传统的VCSEL具有相同的光功率。相应的,改善了器件的使用寿命。2X2 VCSEL阵列在70°C /24mA/10mw光功率(图9)时,平均无故障时间超过1,000,000小时,满足了自由空间光可靠性的需求。这个器件被用作HDTV无线光通信的光源。

VCSEL阵列平均无故障时间-丰通丰创

5、同步驱动3x3和4x4 VCSEL阵列
图10为3x3和4x4 VCSEL阵列放大后的俯视图。这两种器件,相邻VSCEL的距离,都是50微米。每一点的阳极都被连接在一起。所有的点,同时驱动。

3x3和4x4VCSEL阵列俯视图-丰通丰创

图11和图12描述了3x3和4x4 VCSEL阵列,出光功率的温度相关性和电压,各自与电流的关系。

3x3和4x4VCSEL阵列光电曲线-丰通丰创

3x3和4x4VCSEL阵列光电曲线-丰通丰创
 

3x3 VCSEL阵列,被设计用于20mw应用。阈值电流和电压,在20°C时,分别是9.59mA和1.6V。串联电阻低到7欧姆。在80摄氏度时,出光功率相对于0摄氏度,减少20%。4x4 VCSEL阵列,被设计用于40mw。阈值电流和电压,在20°C时,分别是19.9mA和1.64V。这个串联电阻低到4欧姆。出光功率在-20摄氏度和60摄氏度之间的变动,大概在25%。这些结果表明3x3 和4x4 VCSEL阵列,可以在很宽的温度范围内工作。

图13表明,20摄氏度,3x3 VCSEL阵列在20mw、4x4 VCSEL阵列在40mw时远场图案。这两个器件,在高功率条件下,有单锥形的远场分布。20摄氏度,3x3 VCSEL阵列在20mw 时色散角是24.4°,4x4 VCSEL阵列在40mw时色散角是21.6°。3x3 VCSEL阵列和4x4 VCSEL阵列,在0°C和 60°C时,色散角的变化分辨是2°和2.4°。3X3和4X4 VCSEL的色散角,在工作温度范围内是稳定的。

3x3和4x4VCSEL阵列远场图案-丰通丰创

图14和图15,表明3X3 VCSEL阵列和4X4 VCSEL阵列各自在2.5Gbps的眼图。这些器件可以在高出光功率20mw时,工作在2.5Gbps。3X3 VCSEL阵列和4X4 VCSEL阵列,在高出光功率条件下,具有类单锥形远场图案,可以在高速调制下工作。这些器件对于长距离空间光通信很有用。

3x3VCSEL阵列2.5Gbps眼图-丰通丰创

4x4VCSEL阵列2.5Gbps眼图-丰通丰创

6、结论
传统的VCSEL器件不适合用作空间光通信的光源,因为出光功率太低。图过工作电流增加或者限制电流的孔径尺寸增加,来获得较高的功率,远场分布图案中心的凹陷会很明显。这会导致空间光通信的工作中,产生失连区域。

我们通过开发同步驱动VCSEL阵列来解决这个问题。这些器件包含几个高速可靠的VCSEL器件,间距50微米,组成一个芯片。每一点的阳极连接后,然后所有的点像一个点一样驱动。

2X2多模850nmVCSEL阵列,被优化,产生10mw的出光功率,有一个单锥形的远场分布图案。环境温度在25°C和80°C之间,不影响这个器件的远场分布图案。环境温度范围内出光功率的降低,少于20%。远场分布图案和出光功率的温度依赖性很小。这个器件可以工作在超过2.5Gbps,2x2 VCSEL阵列在70°C/10mW条件下,平均无故障时间超过100万小时。这个器件被用作HDTV发射系统的无线光通信光源。

3X3和4X4多模850nmVCSEL阵列,分别被优化,用于20mw和40mw。这个器件在高功率20mw和40mw下,也有类单锥形的远场分布图案。这些器件可以工作在超过2.5Gbps。

同步驱动多点850nmVCSEL,在高输出光功率10mw以上,有类单锥形远场分布图案和高可靠性。这些器件可以工作在2.5Gbps,可以用于空间光通信的光源。由于器件上发射区域的直径小于200微米,这些阵列可以与大直径的光纤连接作为光源。

 


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