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【深度】干货分享：深度解读垂直腔面发射激光器！( 三 )


1994年 ， Huffaker等人率先采用在台面结构（Mesa）下本征氧化AlGaAs ， 生成掩埋高阻层Al氧化物的方式 ， 来对电流进行进一步的限制 。利用这种结构 ， 阈值电流可以降低到225uA 。而这种结构就是目前普遍采用的氧化物限制型（Oxide-confined）结构的原型；
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首个氧化物限制型VCSEL
2013年 ， Iga对VCSEL的关键指标如阈值电流、调制带宽与有源区的关系给出了简单的关系公式 。
VCSEL的阈值电流同其他半导体激光器一样 ， 与有源区体积有如下关系式：
由公式可以看出 ， 为了降低阈值电流 ， 就需要不断减小有源区体积 。比较当前的VCSEL与条状激光器的有源区体积 ， 可以发现 ， VCSEL的V=0.06um3 ， 条状激光器依然在V=60um3 ， 这就是为什么条状激光器的阈值电流典型值仍旧在几十mA的级别 ， 而VCSEL的阈值电流已经达到了亚毫安级别 。
第二阶段：逐渐发展成熟阶段及优化阶段 。
由于氧化物限制型的VCSEL具有低阈值电流等很多优点 ， 这种结构的VCSEL被很快运用到了光通信中 。
由于高的工作电流可以带来更好的调制特性 ， 但同时也会相应的增加功耗 ， 进而带来温度的上升 ， 会对可靠性带来影响 。调制速率与功耗成了VCSEL在光传输领域中重要的挑战 。2007年 ， Y-C.Chang等人采取增加深氧化层层数到5层以及增加p型掺杂浓度来降低串联阻抗的方式 ， 在0.9mA电流下实现的15GHz调制带宽 ， 相应的功耗只有1.2mW ， 带宽/功耗比只有12.5GHz/mW,是当时最先进水平 。VCSEL截面结构如图所示：
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深氧化层氧化物限制型VCSEL
利用相同的VCSEL结构 ， 同年 ， Y-C.Chang等人又实现了35Gbps的无误码传输 。
2011年 ， Petter Westbergh等人研究了850nm氧化物限制型VCSEL光子寿命与谐振频率及调制速率的关系 ， 并指出在高谐振频率以及低阻尼震荡中取得一个折衷来提高速率：当光子寿命接近3ps时 ， 可以使VCSEL的调制带宽达到23GHz ， 同时可以得到40Gb/s的无误码传输 。
近年来 ， 各个兴趣小组对于高速率、低功耗的VCSEL研究依然兴趣不减 ， 图10是截止到2015年 ， 各机构的研究成果 。可以看出 ， 如果采用预加重的方式 ， 目前VCSEL背靠背传输可以达到71Gbit/s 。
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短波长VCSEL光互联领域发展近况
VCSEL厂商情况
VCSEL国外厂商主要有Broadcom、Lumentum、Finisar、II-VI、Philips Photonics、ams、Osram等 ， 国内主要有江苏华芯、武汉光迅科技 ， 其他还有山东太平洋、深圳源国、国星光电、华工科技、三安光电、乾照光电、华灿光电以及睿熙科技等公司 。可以看出 ， 基本上都是来自于光通信芯片的龙头企业；也正是VCSEL有了在光通信领域的经验 ， 消费级应用变得顺理成章 ， 两者产品具备很强的技术延展性 。
1、Broadcom
Broadcom是VCSEL芯片的主要供应商之一 。2016年2月 ， Avago收购了博通 ， 成立了新博通 。博通在光学数据通讯市场产品供应丰富 ， 包括光纤接收器、嵌入式光学模组以及自适应光缆等 。博通凭借近期VCSEL出货量的升级 ， 该公司已经出货100万件25G VCSEL器件 ， 使其市场领导领域扩展至光学网络市场 。
2、Lumentum
Lumentum是2015年从JDSU分拆出来的公司 ， 主要生产和销售光纤相关产品 ， 销售给全球光纤网络及商用激光客户 ， 公司分2个部门来运作：光通信、商用激光器 。Lumentum是苹果公司的第一家VCSEL供应商 ， 芯片代工在台湾稳懋 。


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