CN109088308A - 具有高调制速度的垂直腔面发射激光器 - Google Patents

具有高调制速度的垂直腔面发射激光器 Download PDF

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Abstract

描述了一种垂直腔面发射激光器（VCSEL）和用于制造VCSEL的方法，所述VCSEL包括底切激活区。所述VCSEL的所述激活区是相对于所述VCSEL的电流扩展层底切的，从而使得由电流扩展层过生长的所述VCSEL的隧道结的宽度小于所述VCSEL的激活区的宽度，并且所述VCSEL的所述激活区的宽度小于过生长电流扩展层的宽度，使得包括所述底切激活区的所述VCSEL被配置成以大于25千兆比特/秒的速度传输数据。

Description

具有高调制速度的垂直腔面发射激光器
背景技术
本发明的实施方式总体上涉及提高利用用于光纤数字和模拟传输的激光器的光通信的效率和速度。更具体而言，本发明的实施方式涉及用于在通过光纤线缆系统进行的光纤数字和模拟传输中使用的垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emittinglaser，VCSEL)。因此，描述了允许通过利用新型VCSEL来提高通过光纤线缆系统的传输速度的设计、VCSEL和方法。
发明内容
使用VCSEL在光纤系统中进行光传输已经提供了相比于常用边缘发射激光器的若干优势。例如，VCSEL需要比边缘发射激光器更少的功耗并且可以更高效地制造。这样的效率的一个方面是由VCSEL的晶片上测试能力提供的。与用于边缘发射激光器的常规测试技术相比，晶片上测试产生了相当大的成本优势。此外，VCSEL提供随时间推移的可靠操作，这对于光纤系统中的应用是必不可少的。
为了满足由于大数据中心内以及本地网络和接入网络中不断增长的数据流量导致的对于增大电信网络中的带宽的持续增长的需求，发明人已经认识到需要具有基于磷化铟(InP)的激活区的经优化高速VCSEL，该VCSEL可以应用于能够在长距离(例如，大于2千米)上进行传输的光链路，而这是使用包括基于砷化镓(GaAs)的激活区的标准VCSEL所不可能做到的。
本发明的实施方式利用底切激活区，从而使VCSEL的数据传输能力不受传统VCSEL设计的寄生电容的限制。在一个示例实施方式中，提供了一种垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser，VCSEL)。所述VCSEL可以包括顶部反射器和底部反射器，以及安设在所述顶部反射器与所述底部反射器之间的激活腔体材料结构。所述激活腔体包括顶部电流扩展层、底部电流扩展层、安设在所述顶部电流扩展层与所述底部电流扩展层之间的激活区，以及由所述顶部电流扩展层过生长的隧道结。所述隧道结安设成邻近所述激活区。相对于所述顶部电流扩展层和所述底部电流扩展层底切所述激活区，并且在所述VCSEL的垂直平面内。此外，所述隧道结的宽度小于所述激活区的宽度，并且所述激活区的宽度小于所述顶部电流扩展层的宽度。
在一些情况下，所述VCSEL被配置用于发射处于包括1200纳米(nm)的波长下边界和1900nm的波长上边界的波长范围内的激光。
在一些示例中，发射的激光被配置用于以大于每秒25千兆比特的数据传输速率传输数据。
在一些情况下，所述顶部反射器包括分布式布拉格反射器(distributed Braggreflector，DBR)堆叠，并且所述底部反射器包括DBR堆叠。
另外，在一些示例中，所述顶部反射器DRB堆叠包括无掺杂的砷化铝镓(AlGaAs)和砷化镓(GaAs)交替层，并且其中所述底部反射器DRB堆叠包括无掺杂的AlGaAs和GaAs交替层。
在一些情况下，所述顶部电流扩展层包括n型磷化铟(InP)层，并且所述底部电流扩展层包括n型InP层。
在一些附加情况下，所述激活区还包括多量子阱(multi-quantum well，MQW)层堆叠和p型区，所述MQW层堆叠包括安设在一系列势垒之间的一系列量子阱，而所述p型区安设在所述顶部电流扩展层与所述MQW层堆叠之间。
在一些示例中，所述p型区安设在所述顶部电流扩展层与所述底部电流扩展层之间，包括所述MQW层堆叠。
在一些附加示例中，所述一系列量子阱和势垒包括6个无掺杂压应变砷化铟铝镓(InAlGaAs)量子阱和7个张应变InAlGaAs势垒。
在一些附加实施方式中，所述顶部电流扩展层和所述p型区形成在所述隧道结周围形成的反向偏置p-n结，所述反向偏置p-n结被配置用于以低电容阻挡所述隧道结周围的电流。
在一些示例中，所述隧道结包括重掺杂p++/n++砷化铟铝镓隧道结。
在一些情况下，所述隧道结限定由所述VCSEL发射的激光的光学孔径。
在一些示例中，所述激活区的宽度包括由所述隧道结的宽度限制的最小宽度，其中所述最小宽度大于4微米。
在一些示例实施方式中，所述激活区的所述最小宽度至少比所述隧道结的宽度宽4微米。
在一些示例中，所述激活区的所述最小宽度至少比所述隧道结的宽度宽8微米。
在一些情况下，所述激活区的宽度包括由所述顶部电流扩展层的宽度限制的最大宽度。
在一些情况下，所述激活区的所述最大宽度至少比所述顶部电流扩展层的宽度小1微米。
在一些示例中，所述VCSEL还包括安设在所述顶部电流扩展层上的顶部接触层，以及安设在所述底部电流扩展层上的底部接触层。
另外，在一些示例实施方式中，所述顶部接触层包括砷化铟镓磷化物(InGaAsP)层，并且所述底部接触层包括InGaAsP层。
根据另一示例实施方式，提供了一种用于制造垂直腔面发射激光器(VCSEL)的方法。所述方法可以包括形成主体，该主体限定：顶部反射器和底部反射器，以及安设在所述顶部反射器与所述底部反射器之间的激活腔体材料结构。所述激活腔体材料结构包括顶部电流扩展层、底部电流扩展层、安设在所述顶部电流扩展层与所述底部电流扩展层之间的激活区，以及隧道结。在一些示例中，所述隧道结沉积在所述激活区上，并且所述顶部电流扩展层过生长在所述隧道结之上。所述方法还包括刻蚀所述主体从而刻蚀所述顶部反射器、所述顶部电流扩展层和所述激活区以形成台面结构，以及在横向方向上刻蚀所述激活区从而相对于所述顶部电流扩展层和所述底部电流扩展层底切所述激活区，并且其中，在所述VCSEL的垂直平面内，所述隧道结的宽度小于所述激活区的宽度，并且所述激活区的宽度小于所述顶部电流扩展层的宽度。
附图说明
已经总体上如此描述了本发明，现将对附图作出参考，这些附图并不一定按比例绘制，并且其中：
图1A图示了垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser，VCSEL)的示意性侧视图；
图1B-图1C图示了根据设备参数的VCSEL性质的仿真的图形结果；
图2图示了根据示例实施方式的VCSEL的示意性侧视图；
图3图示了根据示例实施方式的，包括底切激活区的VCSEL的示意性侧视图；
图4图示了根据示例实施方式的，包括底切激活区的VCSEL的组件的示意性侧视图；
图5图示了根据示例实施方式的，包括底切激活区的VCSEL的组件的示意性侧视图；以及
图6是图示根据示例实施方式的，用于制造VCSEL的示例方法的流程图。
具体实施方式
现将在下文参考附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的一些但非全部实施方式。实际上，本发明能够以许多不同形式体现，并且不应被解释为仅限于本文阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式以使得本公开内容满足适用的法律要求。相似标号在各处指代相似元件。如本文所使用，诸如“顶部”、“底部”、“前部”等术语在下文提供的示例中用于解释的目的，以便描述某些组件或组件的部分的相对位置。因此，作为示例，术语“顶部电流扩展层”可以用于描述电流扩展层；然而，根据所描述的特定项的定向，电流扩展层可以位于顶部或底部。
图1图示了垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser，VCSEL)100。典型的VCSEL被配置用于输出光102用于多种应用，诸如高速光纤通信系统中的光纤数据传输。晶片融合VCSEL，例如图1中所示的VCSEL，表现出在连续波(continuouswave，CW)和高速数据传输中的良好性能，以及对于光纤通信系统中的应用十分重要的可靠操作。特别是，常规晶片融合VCSEL总体上表现出电气和机械耐久性，使得VCSEL可以长期部署并保持操作，这在构建可能面对许多不同环境和压力条件的光纤网络时十分重要。
常规VCSEL 100的结构总体上包括安设在两个反射器之间的激活区。在图1中所示的示例中，激活区114是安设在顶部反射器104与底部反射器106之间的腔体材料的一部分，该腔体材料还包括隧道结台面(tunnel junction mesa)112，该隧道结台面112过生长有顶部电流扩展层108和底部电流扩展层110。接触层116和接触层118向电流扩展层108和电流扩展层110提供电，而电流扩展层108和电流扩展层110转而向激活区114提供电。VCSEL 100结构可以形成在衬底上，例如衬底120上。
电流扩展层108和电流扩展层110可以包括n型磷化铟(n-InP)层。在所描绘的实施方式中，通过n型电流扩展层提供电接触允许顶部反射器104和底部反射器106各自包括无掺杂半导体分布式布拉格反射器(DBR)反射镜或介质反射器堆叠。例如，顶部反射器104和底部反射器106可以包括无掺杂的砷化铝镓(AlGaAs)和砷化镓(GaAs)交替层。在一些示例中，VCSEL的制造工艺创造出如激活区114、顶部电流扩展层108和顶部反射器104所示的顶部台面型结构，所述台面结构形成于下方结构之上。这样的制造工艺可以包括穿过各个层的反应离子刻蚀(reactive ion etching，RIE)和化学刻蚀。
在一些示例中，激活区114可以在反射器104与反射器106之间包括量子阱，在其中生成光102。在一些示例中，激活区114可以包括包含安设在一系列势垒之间的一系列量子阱的多量子阱(MQW)层堆叠、安设在顶部电流扩展层与隧道结之外的MQW层堆叠之间的p型区(层)，以及安设在p型区(层)上的隧道结112。
在所描绘的图1的VCSEL 100中，隧道结112发挥光学(光子)限制和电(电流)限制的双重作用。例如，隧道结112可以包括过生长区，该过生长区同时提供电流限制和光子限制。在该示例中，电流由形成于顶部电流扩展层108与p层之间的界面处的反向p-n结所限制。光学限制由代表发射光102的孔径的隧道结112所限定，并且由隧道结的宽度(或直径)所确定。
诸如VCSEL 100等具有半导体晶片融合反射器或介质反射器的常规VCSEL可被配置用于通过单模光纤以每秒25千兆比特(Gb/s)的调制速度传输数据。然而，将调制速度进一步提高到50Gb/s在很大程度上受到反向偏置p-n结的电容的限制，而该电容转而由在隧道结112台面(例如，激活区114与顶部电流扩展层108之间的结)上过生长的n-InP顶部电流扩展层108中刻蚀的顶部台面结构的直径所限定。
VCSEL的调制速度是若干设备参数的函数，所述设备参数包括-微分增益、τp-光子寿命、fr-谐振频率、fp-寄生频率、γ-阻尼因子以及A-振幅因子、Γ-总光限制因子、La-MQW的总厚度，以及R和C——其分别为VCSEL的串联电阻和寄生电容。
现参考图1B，图表152、图表154、图表156和图表158是代表针对不同设备参数的仿真带宽与操作电流的仿真。所述仿真包括D因子，其量化谐振频率随电流的增大，具有2.8、4、6和10GHz/sqrt(mA)等不同值。每个图表中的仿真还示出具有以0.15ns步长从0.15ns到0.6ns的值的K因子，以及6GHz(实线)和15GHz(虚线)的寄生频率。
在低至4GHz/(mA)1/2的D因子和6GHz以上的寄生频率下可以达到13GHz的调制带宽(例如，针对25Gb/s比特率的带宽)。这转而为设备电容设定了0.2皮法(pF)的最高可接受值。
在高于10GHz/(mA)1/2的D因子和15GHz以上的寄生频率下可以达到25GHz的调制带宽(例如，针对50Gb/s所必需的带宽)。这转而为设备电容设定了0.1pF的最高可接受值。在常规VCSEL中——例如表现出25Gb/s操作的具有晶片融合反射器的VCSEL 100，顶部过生长或再生长层的直径可以等于约26微米(μm)，这对应于约600μm2的面积。顶部InP台面的这样的相对较大的直径是约5μm高度的顶部反射器104DBR台面和放置在顶部n-InP电流扩展层108台面结构上的欧姆接触的制造公差目前所需的。在具有介质DBR的VCSEL的情况中，反向偏置p-n结的直径(Dj)——其还由在n-InP顶部电流扩展层108中刻蚀的台面结构107的直径所限定——可以小到20μm，原因在于介质DBR和放置在该台面结构上的接触层的更宽松的制造公差。尽管如此，为了将-3dB调制带宽提高到25GHz(这将会允许以50Gb/s调制速度进行数据传输)，需要将直径Dj进一步减小到至少13μm。如图1C的图表160和图表162中所示，寄生电容和寄生截止频率(流过VCSEL的能量会由于寄生电容而减少的频率)与结的直径Dj相关。例如，随着Dj增大，寄生电容增大(图表160)。同样地，随着Dj增大，寄生截止频率降低(图表162)。
在由Alexei Sirbu、Vladimir Iakovelv、AlexandruMereuta、Andrei Caliman、GrigoreSuruceanu和Eli Kapon于2010年11月29日发表在Semiconductor Science andTechnology上的“Wafer-fused heterostructures:application to vertical cavitysurface-emitting lasers emitting in the 1310nm band”中进一步描述了常规VCSEL，该文献的全部内容通过引用而全文并入于此。在由Alexei Sirbu、G.Suruceanu、V.Iakovlev、A.Mereuta、Z.Mickovic、A.Caliman和E.Kapon于2013年8月15日发表在IEEEPhotonics Technology Letters,VOL.25,NO.16上的“Reliability of 1310nm WaferFused VCSELs”中也进一步描述了常规VCSEL，该文献的全部内容通过引用而全文并入于此。在由A.Caliman、A.Mereuta、P.Wolf、A.Sirbu、V.Iakovlev、D.Bimberg和E.Kapon于2016年7月发表在Optics Express上的“25Gbps direct modulation and 10km datatransmission with 1310nm waveband wafer fused VCSELs”中也进一步描述了常规VCSEL，该文献的全部内容通过引用而全文并入于此。
通过努力工作和应用巧思，发明人已经发现VCSEL的新技术和新设计，其中位于过生长界面处的反向偏置结的电容不由形成于在隧道结台面上过生长的n-InP电流扩展层中的台面结构的直径所确定，而是由引入到本文所述的VCSEL设计中的底切激活区的直径所确定，以便与现有VCSEL设计相比进一步减小反向偏置结的面积。
图2-图3图示了根据示例实施方式的VCSEL。具体而言，图2图示了在对激活区214进行底切之前的VCSEL 200。VCSEL 200以类似于VCSEL 100的方式被配置用于输出光202，以供在诸如高速光纤通信系统中的光纤数据传输等多种应用中使用。图2的VCSEL 200像图1的VCSEL 100那样可以包括晶片融合VCSEL，从而允许VCSEL 200表现出在连续波(CW)和高速数据传输中的良好性能以及光纤通信系统中的应用的操作可靠性。VCSEL 200还包括与VCSEL 100的总体结构相似的总体结构，包括作为安设在两个反射器之间的腔体材料的一部分的激活区。除了激活区214，腔体材料还包括隧道结台面212，该隧道结台面212过生长有顶部电流扩展层208和底部电流扩展层210。接触层216和接触层218被配置用于向电流扩展层208和电流扩展层210提供电，而电流扩展层208和电流扩展层210转而提供与激活区214的电接触。VCSEL 200结构可以形成在诸如衬底220等衬底上。
电流扩展层208和电流扩展层210可以各自以类似于图1的VCSEL 100的方式包括n型InP层，从而通过n型电流扩展层提供电接触，以允许顶部反射器204和底部反射器206各自包括无掺杂半导体分布式布拉格反射器(DBR)反射镜或介质反射器堆叠。例如，顶部反射器104和底部反射器106可以包括无掺杂的砷化铝镓(AlGaAs)和砷化镓(GaAs)交替层，这在下文结合图4更详细描述。在一些示例中，用于制作VCSEL 200的制造工艺创造出如图2中所示的顶部台面型结构207，包括激活区214、顶部电流扩展层208和顶部反射器204。这样的制造工艺可以包括穿过各个层的反应离子刻蚀(RIE)和化学刻蚀。
激活区214在反射器204与反射器206之间包括量子阱，在其中生成光202。激活区214可以包括由安设在一系列势垒之间的一系列量子阱构成的多量子阱(MQW)层堆叠，以及位于顶部电流扩展层与隧道结之外的MQW层堆叠之间的p型区(层)。在激活区214中，p型区(层)安设在MQW层堆叠与隧道结212之间。关于图5更详细描述激活区。
在VCSEL 200中，隧道结212发挥光学限制和电限制的双重作用。隧道结212可以包括过生长区，该过生长区提供电流限制和光子限制。电流由形成于顶部电流扩展层108与p区(层)510之间的界面处的反向p-n结所限制。发射光202的孔径由隧道结的宽度或直径所限定。在下文关于图6更详细描述用于制造或制作图2中所示的VCSEL 200的方法。
图3图示了包括底切激活区314的VCSEL 200’。关于图6更详细讨论用于在图2的结构200中创造图3中所示的底切激活区314的工艺。
图3的包括底切激活区314的VCSEL 200’的实施方式能够发射处于包含1200纳米(nm)波长下边界和1900nm波长上边界的波长范围内的光202(激光)，以及在大于每秒25千兆比特的数据传输速率下传输数据。此外，如上文所述，隧道结212限定了由VCSEL发射的光202(激光)的光学孔径。
如图2和图3中所示，VCSEL 200’的特征还在于安设在顶部电流扩展层208上的顶部接触层216和安设在底部电流扩展层210上的底部接触层218。在一些实施方式中，接触层216和接触层218各自包括砷化铟镓磷化物(InGaAsP)层。
图4图示了根据示例实施方式的，包括底切激活区的VCSEL的组件的示意性侧视图。具体而言，图4示出了图3中所示的VCSEL 200’的放大详细视图。特别地，顶部反射器204和底部反射器206被示出为DBR反射器404和DBR反射器406。在一些示例中，DBR 404和DBR406包括分布式布拉格反射器(DBR)堆叠，如图4中所示。这些堆叠可以包括无掺杂的砷化铝镓(AlGaAs)和砷化镓(GaAs)交替层——对于DBR 404由层404a和层404b示出，而对于DBR406由层406a和层406b示出。
图5图示了根据示例实施方式的，包括底切激活区的VCSEL 200’的组件的示意性侧视图。具体而言，图5示出了图3中所示的VCSEL 200’中的顶部电流扩展层208和底部电流扩展层210之间的区域的进一步放大详细视图。
如图所示，底切激活区314可以包括这样的多量子阱(MQW)层堆叠：该MQW层堆叠包括安设在诸如层514a中的一系列势垒之间的诸如层514b中的一系列量子阱。在一些实施方式中，所述一系列量子阱和势垒可以包括6个无掺杂压应变砷化铟铝镓(InAlGaAs)量子阱(图5中示出为QW)以及7个张应变InAlGaAs势垒(图5中示出为B)。
底切激活区314还可以包括这样的多量子阱(MQW)层堆叠：该MQW层堆叠包括一系列量子阱和势垒，所述一系列量子阱和势垒可以包括p型掺杂砷化铟铝镓(InAlGaAs)量子阱和InAlGaAs势垒。如图3中所示的VCSEL 200’被配置成使得顶部电流扩展层208成为在隧道结212周围形成的反向偏置p-n结的一部分，其中该反向偏置p-n结被配置用于阻挡隧道结周围的电流。
同样地，隧道结212可以包括重掺杂p++/n++砷化铟铝镓隧道结，以使得其限定由VCSEL发射的光202(激光)的光学孔径。
此外如图5中所示，可以约束底切激活区314和周围的层的宽度以使VCSEL的有利属性最大化。底切激活区314的宽度被示出为宽度dAR，顶部电流扩展层208的宽度被示出为宽度dTCSL，而隧道结212的宽度被示出为dTJ。在一些实施方式中，宽度dAR的最小宽度包括由宽度dTJ限制的最小宽度，其中该最小宽度大于4微米。在另一示例中，宽度dAR可由dTJ+4μm这一值限制，使得延伸出由隧道结212限定的孔径的半径外多达2μm的光模不受底切激活区314的边缘的干扰。在一些示例中，还可以将宽度dAR的最小值或最小宽度进一步增大另外4μm，以便在将顶部电流扩展层208的中心与隧道结212台面的中心对准时将光学光刻对准公差纳入考虑。
此外，宽度dAR的最大值应当至少为宽度dTCSL-1μm。该最大值代表底切激活区314的这样的宽度：在该宽度下，减小反向p-n结面积对电容的作用开始变得可测量，使得VCSEL可以将调制速度提高到25Gb/s以上。
图6是图示根据示例实施方式的，用于制造VCSEL的示例方法的流程图。可以采用的制造技术包括干法刻蚀和湿法刻蚀，如上文所述。如方框602中所示，VCSEL的制造可以包括形成主体，该主体限定：顶部反射器204和底部反射器206；激活腔体材料结构，其包括顶部电流扩展层208、底部电流扩展层210、安设在顶部电流扩展层208与底部电流扩展层210之间的激活区214；以及由顶部电流扩展层208过生长的隧道结212。在一些示例中，隧道结212沉积在激活区214上，并且顶部电流扩展层208过生长在隧道结之上。所述方法还可以包括刻蚀所述主体，从而刻蚀顶部反射器、顶部电流扩展层和激活区以形成如图2中所示的台面结构207。
在一个示例中，形成如上文所述的主体包括将顶部反射器204和底部反射器206沉积在不同的GaAs衬底上，诸如衬底220上。形成主体进一步包括在InP衬底上沉积底部电流扩展层210，在底部电流扩展层210上沉积激活区214，以及在激活区214之上沉积隧道结212。形成主体还进一步包括在位于激活区214之上的隧道结上形成掩模，以便通过诸如在掩模外进行化学刻蚀来刻蚀隧道结以形成示出为隧道结212的隧道结台面，并继而移除掩模，来由掩模形成隧道结212的形状。在移除掩模之后，通过在包含隧道结212台面的激活区的表面上过生长顶部电流扩展层208来继续工艺。因此，在已经形成的隧道结212台面结构之上以及台面结构之外形成电流扩展层。继而可以将顶部反射器204结合到顶部电流扩展层208之上。在移除InP衬底之后，将底部电流扩展层结合到底部DBR上。在该步骤结束时，移除顶部DBR的GaAs衬底以完成如方框602中所述的主体，VCSEL将会具有诸如图2中所示的VCSEL 200的结构那样的结构。
如方框604中所示，VCSEL的制造可以进一步包括刻蚀顶部反射器204、顶部电流扩展层208、顶部接触层216和激活区214直至刻蚀到达底部电流扩展层，以形成如图2和图3中所示的台面结构207。在到达底部电流扩展层210之后，该刻蚀步骤停止。
如方框606中所示，VCSEL的制造可以进一步包括在横向方向上朝向图3和图5中所示的轴线X刻蚀激活区214，以便相对于顶部电流扩展层208和底部电流扩展层210底切出底切激活区314。作为结果，在穿过轴线X的VCSEL的垂直平面内，隧道结212的宽度小于激活区314的宽度，并且激活区314的宽度小于顶部电流扩展层208的宽度。在横向方向上进行的刻蚀可以包括在柠檬酸-过氧化物溶液中对激活区214进行湿法刻蚀。在横向方向上刻蚀激活区214以形成底切激活区314可以包括对激活区进行刻蚀达所要求的宽度或直径内，诸如先前在上文中结合图5更详细地讨论。在底切激活区314的形成之后，可以通过应用光刻和选择性化学刻蚀步骤来继续制造工艺，以便完成图3中所示的VCSEL结构。
在如图3中所示完成VCSEL 200’结构之后，可以进行额外的标准VCSEL制造和加工步骤，包括氮化硅Si3N4的沉积，以及金属接触件和接触垫的形成，这些是这些类型的结构的制造中的标准步骤。
得益于前文描述和关联附图中所给出的教导的本发明所属领域技术人员将会想到本文阐述的本发明的许多修改和其他实施方式。因此，应当理解，本发明并不局限于所公开的特定实施方式，并且修改和其他实施方式旨在包含于所附权利要求的范围之内。虽然本文采用了特定术语，但其仅仅是在一般性和描述性的意义上使用的，而不是出于限制的目的。

Claims (20)

1.一种垂直腔面发射激光器（VCSEL），包括：
顶部反射器和底部反射器；
安设在所述顶部反射器与所述底部反射器之间的激活腔体材料结构，包括：
顶部电流扩展层；
底部电流扩展层；
安设在所述顶部电流扩展层与所述底部电流扩展层之间的激活区；以及
由所述顶部电流扩展层过生长的隧道结，其中所述隧道结安设成邻近所述激活区；
其中相对于所述顶部电流扩展层和所述底部电流扩展层底切所述激活区；并且
其中，在所述VCSEL的垂直平面内，所述隧道结的宽度小于所述激活区的宽度，并且所述激活区的宽度小于所述顶部电流扩展层的宽度。
2.如权利要求1所述的VCSEL，其中所述VCSEL被配置用于发射处于包括1200纳米（nm）的波长下边界和1900 nm的波长上边界的波长范围内的激光。
3.如权利要求2所述的VCSEL，其中发射的激光被配置用于以大于每秒25千兆比特的数据传输速率传输数据。
4.如权利要求1所述的VCSEL，其中所述顶部反射器包括分布式布拉格反射器（DBR）堆叠，并且其中所述底部反射器包括DBR堆叠。
5.如权利要求4所述的VCSEL，其中所述顶部反射器DRB堆叠包括无掺杂的砷化铝镓（AlGaAs）和砷化镓（GaAs）交替层，并且其中所述底部反射器DRB堆叠包括无掺杂的AlGaAs和GaAs交替层。
6.如权利要求1所述的VCSEL，其中所述顶部电流扩展层包括n型磷化铟（InP）层，并且其中所述底部电流扩展层包括n型InP层。
7.如权利要求1所述的VCSEL，其中所述激活区还包括：
多量子阱（MQW）层堆叠，其包括安设在一系列势垒之间的一系列量子阱；以及
p型区，其安设在所述顶部电流扩展层与所述MQW层堆叠之间。
8.如权利要求7所述的VCSEL，其中所述p型区安设在所述顶部电流扩展层与所述底部电流扩展层之间，包括所述MQW层堆叠。
9.如权利要求7所述的VCSEL，其中所述一系列量子阱和势垒包括6个无掺杂压应变砷化铟铝镓（InAlGaAs）量子阱和7个张应变InAlGaAs势垒。
10.如权利要求7所述的VCSEL，其中所述顶部电流扩展层和所述p型区形成在所述隧道结周围形成的反向偏置p-n结，其中所述反向偏置p-n结被配置用于以低电容阻挡所述隧道结周围的电流。
11.如权利要求1所述的VCSEL，其中所述隧道结包括重掺杂p++/n++砷化铟铝镓隧道结。
12.如权利要求1所述的VCSEL，其中所述隧道结限定由所述VCSEL发射的激光的光学孔径。
13.如权利要求1所述的VCSEL，其中所述激活区的宽度包括由所述隧道结的宽度限制的最小宽度，其中所述最小宽度大于4微米。
14.如权利要求13所述的VCSEL，其中所述最小宽度至少比所述隧道结的宽度宽4微米。
15.如权利要求13所述的VCSEL，其中所述最小宽度至少比所述隧道结的宽度宽8微米。
16.如权利要求1所述的VCSEL，其中所述激活区的宽度包括由所述顶部电流扩展层的宽度限制的最大宽度。
17.如权利要求16所述的VCSEL，其中所述最大宽度至少比所述顶部电流扩展层的宽度小1微米。
18.如权利要求1所述的VCSEL，还包括：
顶部接触层，其安设在所述顶部电流扩展层上；以及
底部接触层，其安设在所述底部电流扩展层上。
19.如权利要求18所述的VCSEL，其中所述顶部接触层包括砷化铟镓磷化物（InGaAsP）层，并且其中所述底部接触层包括InGaAsP层。
20.一种用于制造垂直腔面发射激光器（VCSEL）的方法，包括：
形成主体，该主体限定：
顶部反射器和底部反射器；
安设在所述顶部反射器与所述底部反射器之间的激活腔体材料结构，其包括：
顶部电流扩展层；
底部电流扩展层；
安设在所述顶部电流扩展层与所述底部电流扩展层之间的激活区；以及
隧道结，其中所述隧道结沉积在所述激活区上，并且其中所述顶部电流扩展层过生长在所述隧道结之上；
刻蚀所述主体，从而刻蚀所述顶部反射器、所述顶部电流扩展层和所述激活区以形成台面结构；以及
在横向方向上刻蚀所述激活区，从而相对于所述顶部电流扩展层和所述底部电流扩展层底切所述激活区；并且其中，在所述VCSEL的垂直平面内，所述隧道结的宽度小于所述激活区的宽度，并且所述激活区的宽度小于所述顶部电流扩展层的宽度。
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