张 星 ，张建伟，周寅利，薛洪波，宁永强，王立军

（1. 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033；2. 长春中科长光时空光电技术有限公司, 吉林 长春 130102；3. 中国科学院 国家空间科学中心, 北京 100190）

1 引 言

垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers, VCSEL）是一种以低功耗、高光束质量、高直调带宽为主要特点的新型半导体激光器[1-2]。由于功耗低，VCSEL 的工作温度范围很宽，比如：能在80 °C 以上的高温环境中长期稳定工作[3]；由于光束质量高，VCSEL 对光束整形系统要求较低，因此易于制成紧凑的光学模组[4]。鉴于以上优势，从20 世纪90 年代中后期成功用于光通信领域开始，VCSEL 至今已经广泛应用于数据中心和超级计算机内部光互连[5]、智能手机和车载激光雷达等领域[6-7]，国内外有较多研究报道[8-11]。

量子传感被认为是具有颠覆性意义的下一代计量手段[12]，量子磁探测技术由于具有高灵敏度和低功耗等特点，在高端装备和科学研究等方面有重要的应用前景[13]。例如在杭州建设的极弱磁场重大科技基础设施，就是基于量子磁探测技术对极弱磁场开展的研究。

量子磁探测传感器，或称为原子磁强计，其原理是借助激光与原子的相互作用实现对微弱磁场的高灵敏度检测。原子磁强计中采用的光源以VCSEL 为主，主要是因为VCSEL 具备工作温度范围宽及高光束质量这两大优势，使用VCSEL作为光源，能与传感器紧凑地进行一体化封装，大幅降低整机体积、成本和功耗。然而，原子磁强计对VCSEL 的性能要求十分苛刻，包括高温工作（≥80 °C）、单模（SMSR＞30 dB）、窄线宽（＜100 MHz）以及无磁，这大大增加了VCSEL 芯片和模组的研发难度。

中国科学院长春光学精密机械与物理研究（简称长春光机所）和长春中科长光时空光电技术有限公司从2010 年起，围绕芯片级原子钟应用，在VCSEL 的高温低阈值工作、波长控制、模式稳定以及VCSEL 在芯片原子钟系统中的实际应用等方面报道了一系列研究成果[14]。在此期间，北京工业大学、中国科学院半导体研究所、苏州纳米技术与纳米仿生研究所、长春理工大学等多个团队从2016 年开始也陆续发表了相关研究成果[3]。然而，在原子磁强计等高端量子传感器需要的窄线宽无磁VCSEL 研究方面，国外只有美国Sandia 国家实验室和德国ULM 大学报道了相关研究，国内目前只报道了理论研究结果[15]，尚无实际器件方面的报道。

本文介绍了本课题组在高温、窄线宽、无磁VCSEL 方面的最新研究成果。首先设计并生长了适合集成微透镜的VCSEL 外延结构，随后完成了器件制备和微透镜集成，最后对其输出特性，特别是线宽特性和无磁特性进行了测试，并对结果进行了讨论。

2 外延结构设计与生长

图1（彩图见期刊电子版）为本文研制的VCSEL 外延和器件结构示意图。该器件对应的外延材料由长春光机所发光学及应用国家重点实验室的AIXTRON 200/4 金属有机物气相沉积（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD）设备（研发型）生长而成，外延片直径为2 inch（1 inch=0.025 4 m），满足研发阶段的需要。根据器件高温工作和窄线宽的要求，有源区采用了高增益-腔模失配设计[16]，通过采用大于20 nm 的高增益-腔模失配量，使VCSEL 能在80 °C 以上的高温环境下保持稳定的低功耗工作状态。

该VCSEL 的外延结构中：N 型分布布拉格反射镜（N-doped Distributed Bragg Reflector, NDBR）采用34.5 对AlAs/GaAs 材料，之所以采用二元组分主要是考虑提高热导率，降低热阻，以利于高温工作；P 型分布布拉格反射镜（P-doped Distributed Bragg Reflector, P-DBR）采 用20 对Al0.12Ga0.88Al/Al0.9Ga0.1As 材料，较少的P-DBR 对数有助于提高输出功率。为了克服高温环境下功率衰减过大的问题，器件的有源区采用5 组In0.06Ga0.94As 量子阱，对应的室温增益峰值波长为870 nm，与腔模形成20 nm 以上的失配量，确保器件在高温下具有较低的阈值电流。氧化层采用35 nm 厚的Al0.98Ga0.02As，具体位置在有源区和P-DBR 之间。

需要特别指出的是，该结构的盖层（cladding layer）厚度设计为500 nm，一方面是考虑到微透镜刻蚀深度问题，另外，该设计可以使微透镜刻蚀主要在GaAs 层中进行，避免刻蚀GaAs/AlGaAs交替结构带来的速率不稳定和刻蚀形貌不易控制的问题。

3 器件制备

3.1 制备工艺

完成MOCVD 外延材料生长后，VCSEL 的制备是在长春光机所发光学及应用国家重点实验室的半导体激光芯片工艺平台完成的，主要采用了本课题组在长期科研和器件工程化实践中形成的标准VCSEL 制备工艺。具体步骤如下：首先采用光刻+磁控溅射的方法在外延片表面制备环形金属图形，作为P 面电极；之后采用德国SENTECH SI500 型电感耦合等离子体干法刻蚀设备刻蚀出直径为30 μm 的台面（mesa）结构，暴露出Al0.98Ga0.02As 层；采用法国AET 公司的ALOX型在线监控氧化设备制作氧化孔径，该设备在10.16 cm 范围内的氧化精度可达到±1 μm；之后经过SiNx薄膜生长、P-pad 制备等工艺后，将晶圆整体减薄抛光到100 μm，并制作N 面电极。

为了满足无磁要求，上述N 面电极使用的金属材料不能含有磁性材料，对此，参考文献[17]的方法，采用了非常规的50 nm Cr/350 nm Au N 面电极，并对其退火工艺进行了调整，在实现器件的无磁性能前提下，确保其电阻无明显升高。

完成上述工艺后，晶圆被解理为单颗VCSEL 芯片，为了便于进行各项常规性能测试，将芯片焊接到带有温控器和热敏电阻的TO46 管壳上。完成常规封装的VCSEL 如图2 所示。

图2 封装后的VCSELFig. 2 The packaged VCSEL

3.2 集成微透镜刻蚀

本研究中VCSEL 制备工艺与标准工艺的主要区别在于前者需要制备集成微透镜结构。本课题组在前期研究中开发出一种成本低廉、工艺稳定的湿法刻蚀工艺，用于在低发射VCSEL 的衬底表面制作微透镜阵列[18]。其主要原理是利用特定比例的氢溴酸腐蚀液在VCSEL 窗口表面和四周的刻蚀速率不同，通过精密控制实验条件实现不同尺寸微透镜的制备。

微透镜制备工序安排在P 面电极制备完成后，具体流程如图3（彩图见期刊电子版）所示。微透镜刻蚀采用的腐蚀液是H2O2∶HBr∶CH3OH∶H2O=1∶1∶1∶10，在图3 所示掩模露出部分制作微透镜。该腐蚀液中H2O2的作用是将HBr 中的Br+还原为Br2，CH3OH 的加入主要是减小液体表面张力，使反应产生的气体不附着在刻蚀窗口表面，使微透镜表面更加光滑。为了控制反应速度，采用了低温刻蚀的方法，在冰水混合物的低温环境中进行刻蚀，最终成功制备出具有特定曲率半径的微透镜，微透镜表面形貌的原子力显微镜（AFM）测试结果如图4 所示。其中图4（a）～4（d）分别表示直径为9 μm、11 μm、13 μm、15 μm 刻蚀窗口经过相同刻蚀时间形成的微透镜，根据该测试结果可计算出微透镜的曲率半径和焦距。

图3 湿法刻蚀微透镜的工艺流程Fig. 3 Fabrication steps of micro-lens wet etching

图4 微透镜表面形貌AFM 测试结果Fig. 4 Surface morphology of the micro-lens by AFM

最终实现了图1 所示的集成微透镜VCSEL激光器。

4 实验结果与讨论

在前一小节中，成功制备出集成微透镜的VCSEL 器件，接下来，将对该器件的输出特性进行研究，并对结果进行讨论。

4.1 输出特性

测试了集成微透镜的VCSEL 器件在室温和高温环境下的电流-功率特性，以评估该器件的高温工作适应性，测试中采用了美国THORLABS公司的LDC201CU 型电流控制器（电流分辨率为0.05 mA）、自行开发的温度控制器（温控精度为0.1 °C）以及THORLABS 公司的PM100D 型功率计和S130C 型功率探头。

图5 所示为室温（25 °C）下测试得到的VCSEL功率-电流-电压曲线。从图中可见，室温下VCSEL 在5 mA 驱动电流下的输出功率为2.559 mW，此时对应的电压为2.79 V，电-光转换效率为18.3%。由于本研究中的VCSEL 的目标工作温度是80 °C 以上的高温环境，因此对器件在温度升高后的输出特性变化情况进行研究是十分必要的。图6（彩图见期刊电子版）给出了VCSEL 在20～90 °C 内的功率-电流曲线变化情况。从图6可见，器件的阈值电流呈现先降低后升高的趋势，对比4 mA 下的输出功率，20 °C 为1.84 mW，90 °C为1.52 mW，高温下相对室温的激光功率仅衰减了22.8%。说明该器件采用的腔模-增益失配和多组高增益量子阱有效缓解了其在高温下的性能劣化。

图5 25 °C 下测试得到的功率-电流-电压曲线Fig. 5 P-I-V characteristics at room temperature (25 °C)

图6 20～90 °C 下测试得到的功率-电流曲线Fig. 6 P-I characteristics under 20～90 °C

确定VCSEL 是否为单模工作需要对其输出光谱的边模抑制比（Side Mode Suppression Ratio,SMSR）进行测试。图7 给出了在4 mA 驱动电流、90 °C 下VCSEL 输出光谱的测试结果，在该条件下激光中心波长为896.3 nm，SMSR＞为36.3 dB，激光器能够保持较好的单模工作状态。

图7 VCSEL 的输出光谱测试结果Fig. 7 Measured output spectrum of the VCSEL

采用THORLABS 公司的扫描式法布里-珀罗干涉仪对本研究中VCSEL 的激光频率线宽进行测试，具体测试方法见索雷博公司网站。该干涉仪的精细度大于200，自由频谱区带宽为1.5 GHz，对应的线宽测试分辨率为7.5 MHz，可以满足VCSEL 这类频率线宽相对较宽的半导体激光器的检测需要。

在实际测试中，VCSEL 发射的激光经过准直后射入干涉仪，形成的干涉峰显示在示波器上，两个干涉峰之间的距离为其自由频谱区带宽1.5 GHz，根据干涉峰的半高全宽与自由频谱区的比值即可推算出VCSEL 发射的激光线宽。图8为VCSEL 激光线宽的测试结果，经换算可得出其线宽为38 MHz。

图8 VCSEL 线宽测试结果Fig. 8 Measured frequency line width of the VCSEL

4.2 磁性测试

为了满足原子磁强计的应用要求，使用上述VCSEL 芯片制成了无磁封装VCSEL 光源模组，封装后的模组如图9 所示，并采用中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室的QUSPIN QZFM 型磁强计对该光源模组的剩磁进行测试，测试是在磁屏蔽筒零磁环境中进行的，被测样品距离磁强计探头距离约1 cm。测试结果如图10 所示，可见该模组产生的磁场强度低于0.03 nT (峰-峰值)，能够满足实际应用要求。

图9 无磁封装VCSEL 光源模组Fig. 9 Packaged VCSEL magnetism-free module

图10 VCSEL 模组剩磁测试结果Fig. 10 Testing results of the remaining magnetic field intensity of VCSEL

5 结 论

本文面向量子传感对VCSEL 高温工作、窄线宽、无磁等应用要求，从芯片结构着手，研制出带有集成微透镜结构的VCSEL，测试结果表明该芯片能够在90 °C 高温环境下实现稳定单模工作（SMSR=36.3 dB），对应的激光输出功率为1.52 mW，激光频率线宽为38 MHz；采用上述VCSEL 芯片制成的光源模组磁场仅为0.03 nT。实验结果证实 本文成功研制出满足量子传感要求的VCSEL。