近年來，850奈米(nm)垂直腔表面發射雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)應用由於具備低成本與容易形成一維(1D)或二維(2D)陣列的特性而快速受到歡迎。開發人員在採用時，除了傳統的元件壽命外，能夠在寬廣溫度範圍與連線距離下運作，還有包括功率消耗(PJ/bit)、占用空間(bits/mm<sup>2</sup>)與成本($/Gb/s)等各種品質因數都是須要考慮的因素。
隨著1×12陣列10G VCSEL的廣泛受到採用，自然必須針對以上這些面向進行改善，這可以透過開發更高資料傳輸率的VCSEL以及改善現有氧化VCSEL架構達成。這篇文章將討論具有靜電放電(ElectroStatic Discharge, ESD)保護功能，以及10G～25Gbit/s高頻寬運作的VCSEL開發。
多模光纖採用VCSEL
採用VCSEL的多模光纖(Multi-Mode Fiber, MMF)光學連線，是資料中心與儲存網路中做為伺服器與高效能電腦節點間短距離互連的關鍵功能。隨著網際網路提供的服務以及使用者的增加，資訊中心內的資料流量也隨之提高，並帶來更高頻寬連線的發展需求，資料傳輸率、連線距離、功率消耗、占用空間以及成本等，對於光學連線網路而言都是相當重要的度量因素。
多模光纖較大數值孔徑(Numerical Aperture, NA)的使用，讓廠商可以利用低成本的微光學組件進行雷射光源的光耦合。隨著資料傳輸率達到10Gbit/s，光纖由於具有更佳的訊號完整性、更低的功率消耗以及更小的占用空間，因此開始逐漸取代銅纜線。此外，使用最佳化雷射的多模光纖也已經將10Gbit/s的傳輸距離延伸到300公尺(m)以上。
採用直接調變的VCSEL是由電氣領域轉換為光學形式資料轉換的精簡途徑，被使用在短距離連線應用上已經超過10年以上。VCSEL的推出最早是在資料傳輸率達到1Gbit/s時用來取代發光二極體(LED)；經過數年的演變，資料傳輸率已經分別在單通道的乙太網路(Ethernet)與光纖通道(Fiber Channel)上穩定達到10Gbit/s與14Gbit/s。使用850奈米及更長波長的VCSEL已經被證明可以達到更高的資料傳輸率。隨著資料傳輸率的提升，銅纜線在訊號完整性及衰減上的問題就逐漸展現，因此VCSEL不僅可被應用在通訊線路卡的邊緣，並且也逐漸被嵌入電路板中做為晶片與晶片間的通訊方式，VCSEL傳輸速度與可靠度的持續提升，將有助於滿足未來10年的網路流量及運算能力的需求。
以下將先介紹以10G VCSEL為基礎的平行光纖，接著說明具備靜電放電高容忍度與高頻寬的VCSEL，然後提出25G應用VCSEL的開發並進行總結。
平行光纖建構高密度光互連
最常見的1×4與1×12組態VCSEL陣列已經普遍被用來做為擴展連線頻寬的簡單方法，使用多模VCSEL及光纖帶的平行光纖連線帶來高密度的光互連，隨著100GbE標準的發展，1×12陣列的10G VCSEL已經在標準CXP與客製化外型尺寸以及主動式光纜的收發器中被廣泛應用。
1×12陣列的10G VCSEL具有兩個間距為250微米(μm)的頂部連接點，外延結構包含夾在底部n摻雜磊晶分布布拉格鏡面(Distributed Bragg Reflector, DBR)與頂部p摻雜DBR間GaAs量子井的主動區。
圖1(a)顯示5℃與80℃所有1×12陣列十二個通道的LI特性，可以觀察到臨界電流由5℃時的0.75毫安培(mA)提高到80℃時1.1毫安培的良好一致性。25℃時斜率效率(Slope Efficiency)η為0.50W/A，隨溫度變化的幅度可以表示為
。
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| 圖1 (a)5℃與80℃時1×12 10G陣列所有十二個通道的LI特性。(b)6毫安培驅動電流室溫下所測得的VCSEL遠場分布模型顯示由較高階轉換模式發射的甜甜圈形狀。(c)室溫下四個元件所測得的全1/e2寬度驅動電流函數。 |
驅動電流會觸發多重轉換模式，所取得的遠場分布如預期為圖1(b)中的甜甜圈形狀，完整的1/e2寬度為驅動電流的函數，參考圖1(c)中所顯示的四個元件，光束發散角並不會隨著溫度大幅改變，以10.3Gb/s速度運作時會在20℃到30℃之間。圖2為5℃與80℃時VCSEL的小訊號調變響應S21，6毫安培驅動電流下5℃與80℃的3dB頻寬f3dB分別為11.1GHz與10.3GHz，其中S21曲線的表示式如下：
..............................(1)
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| 圖2 4毫安培到10毫安培驅動電流下(a) 5℃與(b) 80℃的VCSEL小訊號調變響應，測量結果以虛線表示，依公式(1)取得的曲線則以實線表示。 |
其中fr與f0分別為弛豫頻率與極點頻率，γ為阻尼因數，A則為縮放因數，對於較小的驅動電流，弛豫頻率fr與電流間的關係為
，比例因數D在5℃與80℃時分別為4.1GHz/mA1/2與4.2GHz/mA1/2，隨著驅動電流的增加，fr越大，調變響應變化越小，在5℃時，阻尼因數在4毫安培時為35ns-1，10毫安培時為69ns-1。
做好靜電放電保護
由於VCSEL在設計上可以確保較長壽命，因此對於外來的影響，例如靜電放電及電氣過載都可能會大幅縮短元件的壽命，VCSEL對靜電放電形成反向的高阻抗狀態會造成相對較低的損害臨界保護。
相反地，二極體則會對順向形成低阻抗，因此可以承受高上許多的ESD電壓，對於8～9微米範圍的孔徑，人體模型(Human Body Model, HBM)的損壞臨界點大約在150～200伏特(V)，相對的機器模型(Machine Model, MM)臨界值則為45～50伏特。
ESD損壞的不對稱性早已被業界熟知，因此以並聯方式加入反向極性二極體的作法遂被提出，這個二極體提供反向的ESD低阻抗路徑，因此可提高損壞臨界點，不過，這些設計都會大幅提高寄生電容，因而影響到高資料傳輸率時的運作效率，或者會對VCSEL的設計造成限制，例如必須使用半絕緣的基底。
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| 圖3 左為具保護二極體的VCSEL，右為簡化電路。 |
圖3為能夠承受高ESD並處理較高頻寬的VCSEL平面圖，這個外延結構包含VCSEL層以及後方所連接的i層與n摻雜層，二極體由頂部的p-i-n層形成，VCSEL與二極體的p層在植入時經過隔離，i層與部分頂部n層使用砷化鋁鎵(AlGaAs)將840奈米到860奈米的光吸收降到最低，頂端n層較高的部分為砷化鎵(GaAs)，相較於純VCSEL，要形成具有保護二極體的VCSEL需要兩個額外的製程步驟。
首先，頂部的n層與i層必須進行蝕刻以形成VCSEL與二極體的p接點，接著需要額外的金屬沉積步驟來連接VCSEL的p接點與二極體的n接點，這兩個互連必須交換數次，特別是在大約10微米高的VCSEL平頂上，為了進行比較，這裡也在相同晶圓上構造出無保護二極體的VCSEL。
具備或無保護二極體VCSEL的LI與IV特性比較可參考圖4(a)與4(b)，其中二極體會在VCSEL反向偏壓時導通，LI特性在兩種VCSEL架構上基本上沒有分別，25℃時的臨界電流為0.7毫安培，斜率效率則為0.50W/A。
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| 圖4 具備保護二極體(a)與無保護二極體(b)VCSEL的LI與IV特性比較，這兩個元件在晶圓上距離小於1毫米(mm)，對具備保護二極體的VCSEL而言，二極體會在反向時導通。 |
具備保護二極體與無保護二極體VCSEL的小訊號調變響應S21可參考圖5，其中(a)與(b)提供3毫安培到8毫安培的不同驅動電流響應，由公式(1)的非線性最小平方得到圖5(c)中的3dB頻率f3dB，其中具備保護二極體的VCSEL調變頻寬f3dB較小，但在8毫安培下僅減少0.3GHz，小訊號阻抗測量數值S11顯示，保護二極體會對並聯的VCSEL加入0.04皮法(pF)的並聯電容，其中由二極體本身尺寸所計算取得的電容值為0.025皮法，其他則由互連連接線產生。圖6中具備保護二極體VCSEL於10.3125Gbit/s運作時的大訊號調變顯示了提供高資料傳輸率應用的能力。
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| 圖5 (a)具備保護二極體VCSEL與(b)無保護保護二極體VCSEL於3～8毫安培的小訊號調變響應S21，圖中虛線為測量值，實線則為由公式(1)取得的曲線，所有測量都在室溫25℃下進行，3dB頻寬相對於電流的關係，(c)顯示加上保護二極體後，8毫安培驅動電流時頻寬會減少0.3GHz。 |
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| 圖6 (a)5℃ 5毫安培與(b)80℃ 6毫安培條件下具備保護二極體VCSEL於10.3125Gbit/s速度運作時的眼圖，消光係數為5dB。 |
具備保護二極體VCSEL上的ESD效應分別以人體模型與機器模型等兩個模型進行檢查，請注意，順向ESD脈衝大部分會通過VCSEL，反向ESD脈衝則大部分通過保護二極體，在每個不同測試電壓下，元件分別以三個正向與負向脈衝進行測量，而脈衝的振幅大小則逐漸增加，並記錄室溫下不同ESD脈衝的LI與IV特性來監測變化。
對於圖7(a)與7(b)中的人體模型，元件的特性並不會受到電壓由100伏特逐漸上升到800伏特的影響，不過在900伏特時觀察到LI特性的大幅變化，因此提升了VCSEL的正向損害臨界點。
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| 圖7 人體模型ESD電壓由100伏特到900伏特逐漸變化下具備保護二極體VCSEL的(a)LI與(b)IV特性，元件在每個電壓下分別以三個正向與反向脈衝進行測試，未進行ESD測試前的測量值以0伏特表示，所有測量都在室溫下進行。無保護二極體VCSEL的(c)LI與(d)IV特性顯示於150伏特時即發生損壞，進行IV掃描時電流設定為0.1毫安培。 |
為了進行比較，可以參考圖7(c)與7(d)中無保護二極體的VCSEL於150伏特時就會失效，透過相同的方式，機器模型下的損害臨界點也可因此強化。參考圖8，可以看到在加入保護二極體後於90伏特才出現較大的漏電流，在這個例子中，VCSEL的LI曲線並不受影響，相較於無保護二極體的VCSEL結構，人體模型的ESD損害臨界點大約提高了五倍、機器模型則提升兩倍，因此保護二極體並不會將速度限制在10Gbit/s，同時具備保護二極體的VCSEL在更高資料傳輸率下，還具有更佳的ESD承受力。
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| 圖8 機器模型ESD電壓由40伏特到90伏特逐漸變化下具備保護二極體VCSEL的(a)LI與(b)IV特性，元件在每個電壓下分別以三個正向與反向脈衝進行測試，未進行ESD測試前的測量值以0伏特表示，所有測量都在室溫下進行。無保護二極體VCSEL的(c)LI與(d)IV特性顯示於50伏特時即發生損壞，進行IV掃描時電流設定為0.1毫安培。 |
實現高頻寬設計
如前面所提到，以超過10Gbit/s速度運作的VCSEL必須符合10年內的資料流量需求，業界嘗試了許多方法來改善VCSEL的速度，包括更小的孔徑，使用砷化銦鎵(InGaAs)QW，最後演變成較長的波長。在980奈米與較長波長下，使用緊密的InGaAs QW可以改善增益，而使用二進位合金來形成BSR則有助於降低熱阻，然而，開發較高速850奈米VCSEL的好處，還包含有與更低資料傳輸率系統的向後相容性，並可使用現有的850奈米最佳化雷射多模光纖。
對於實現較高頻寬趨勢的設計方向可以透過觀察載子與光子密度的耦合非線性速率公式看出，為簡化分析，使用單一模式並排除載子傳輸效應，定義N為載波密度，也就是每單位主動容積V的載子數，NP為光子密度，亦即每單位主動容積VP的光子數，使用的公式為：
..............................(2)
..............................(3)
其中ηi為內部量子效率、g為增益、Vg為群體速度、τP為光子壽命、R'SP為自發發射速率、Rnr為非輻射重組速率、R'sp為進入雷射模式的自發發射速率、q為電荷、t為時間，模態制約因數Γ=ΓvΓe被分為兩個部分，其中Γv(=V/VP)為填充因數、Γe為光場與增益部分相互疊加的強化，雖然Γe因數在VCSEL設計中已廣為周知，但通常會在公式(2)中被忽略，而弛豫頻率的表示式如公式(4)。
..............................(4)
事實上，就算是斜率效率的表示式如果沒有公式(2)中的Γe部分也如法取得正確值。當光子產生的速率經由將量子井安排在接近駐波的尖峰處時，載子同時也以較高的速率耗盡，對VCSEL而言，Γe的範圍在1.5到2。
對於速率公式(2)與(3)進行差分分析還可以得到公式(1)中使用的阻尼因數表示式：
..............................(5)
在此a=dg/dN為差分增益、aP=dg/dNp為增益壓縮因數、γ0為相關於自發發射速率的常數，請注意公式(4)的fr，公式中額外的Γe部分以及K表示式中括弧內被忽略的Γe部分。
弛豫頻率表示式指出實現較高頻寬的方向，較小的孔徑半徑r可以降低腔體容積，使得D因數隨半徑r反向變化，這可以由圖9(a)與9(b)中三個孔徑大小由4.5微米到6.5微米的VCSEL看出，否則會得到相同的上結構與鏡像反射。
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| 圖9 (a)孔徑大小對小訊號調變響應的影響。(b)3個VCSEL於(I-Ith)1/2的弛豫頻率變化顯示D因數會隨著孔徑大小反向變化。 |
光子的有效壽命τP更加引人注意，透過減少頂部DBR的反射性來縮短光子壽命將會降低特定電流下的弛豫頻率fr，主要原因為臨界電流的增加以及相關差分增益的降低，不過阻尼因數也會降低，這兩個變化的組合可以帶來較高的f3dB頻寬。
腔體容積也可經由降低兩個DBR層級間的折射率來予以最大化，這樣做可以減少光場進入DBR的穿透力，更多的量子井會引起制約因數的提高，雖然這樣的改變可以帶來更高的主動容積，造成更高的臨界電流。同時，在腔體中安排量子井的空間相當有限，因此所有的這些設計改變都必須要符合較長元件壽命的要求。
總歸來說，對於資料流量與運算速度的持續需求，推動了更高速與更長壽命VCSEL的發展，而這篇文章描述一個具備高頻寬與強化ESD容忍力的新VCSEL元件，以及以20Gbit/s與25Gbit/s速度運作VCSEL的設計開發。
(本文作者M. V. Ramana Murty、L. Giovane、S. K. Ray、K. -L. Chew、M. V. Crom、T. E. Sale、A. Sridhara、C. Zhao、Chu Chen、T. R. Fanning皆任職於安華高)