長(zhǎng)春光機(jī)所高速垂直腔面發(fā)射激光器研究進(jìn)展

摘要：高速垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)是高速光通信的主要光源之一，受數(shù)據(jù)流量的迅速增長(zhǎng)牽引，高速VCSEL正向更大帶寬、更高速率方向發(fā)展。長(zhǎng)春光機(jī)所團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化VCSEL外延設(shè)計(jì)和生長(zhǎng)、器件設(shè)計(jì)和制備、以及性能表征技術(shù)，在多個(gè)波長(zhǎng)的高速VCSEL的調(diào)制帶寬、傳輸速率、模式、功耗等性能方面取得了顯著進(jìn)展。實(shí)現(xiàn)高速單模940nm VCSEL 27.65 GHz調(diào)制帶寬和53 Gbit/s傳輸速率;通過波分復(fù)用基于850 nm、880nm、910nm和940nm高速VCSEL實(shí)現(xiàn)200 Gbit/s鏈路方案;通過光子壽命優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)高速VCSEL低至100 fJ/bit的超低能耗;實(shí)現(xiàn)1030nm高速VCSEL 25GHz調(diào)制帶寬;實(shí)現(xiàn)1550nm高速VCSEL 37 Gbit/s傳輸速率。研制的高速VCSEL在光通信等領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景。

1. 引言

隨著流媒體、云計(jì)算、區(qū)塊鏈等新興消費(fèi)和社交媒體的出現(xiàn)，互聯(lián)網(wǎng)流量以每年約60%的速度大幅增長(zhǎng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過思科(Cisco)公司預(yù)測(cè)[1]。垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)具有閾值電流低、量子效率高、調(diào)制帶寬高、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，基于VCSEL和多模光纖(MMF)是數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾M成部分。數(shù)據(jù)流量的迅速增長(zhǎng)牽引VCSEL向更大帶寬、更高速率、更低能耗方向發(fā)展。

在高速VCSEL調(diào)制帶寬方面，查爾姆斯理工大學(xué)(CUT)、伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校(UIUC)、Finisar等多個(gè)研究組都實(shí)現(xiàn)了850 nm VCSEL近30 GHz的調(diào)制帶寬。CHENG C L、HAGHIGHI N、SIMPANEN E在940 nm、980 nm和1060 nm波長(zhǎng)高速VCSEL研究方面，也分別實(shí)現(xiàn)了類似的指標(biāo)。在高速VCSEL傳輸速率方面，KUCHTA D M等人采用前饋均衡驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)不歸零碼(NRZ-OOK)調(diào)制下71 Gb/s數(shù)據(jù)傳輸。4電平脈沖幅度調(diào)制(PAM4)可進(jìn)一步提升傳輸速率，并可通過均衡和前向糾錯(cuò)進(jìn)一步提升傳輸速率至200 Gbit/s。通過波分復(fù)用(WDM)，可大大增加光鏈路的容量和傳輸速率[12]。單模VCSEL可延長(zhǎng)傳輸距離至2000m以上。在能耗方面，MOSER P實(shí)現(xiàn)了56f J/bit @25 Gb/s的超低能耗。

面向高速光通信需求，研究人員從高速VCSEL帶寬限制機(jī)理和提升方法出發(fā)，通過優(yōu)化VCSEL外延設(shè)計(jì)和生長(zhǎng)、器件設(shè)計(jì)和制備以及性能表征技術(shù)，在多個(gè)波長(zhǎng)高速VCSEL的調(diào)制帶寬、傳輸速率、模式、功耗等性能方面取得了顯著進(jìn)展，可滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景。本文接下來第二部分將介紹帶寬限制因素和提升方法;第三部分介紹本課題組高速VCSEL的研究進(jìn)展;第四部分進(jìn)行總結(jié)。

2. 高速VCSEL帶寬限制因素

氧化限制型高速VCSEL截面示意圖如圖1(彩圖見期刊電子版)所示。其主要包括有源區(qū)，p-和n-布拉格反射鏡(DBR)，單層或多層氧化孔，苯丙環(huán)丁烯(BCB)填平材料，p-、n-電極和共面電極。有源區(qū)可為量子阱或量子點(diǎn)。DBR由兩種具有不同折射率、每層厚度為四分之一波長(zhǎng)的材料交替生長(zhǎng)組成;氧化孔可通過濕法氧化高Al組分的氧化層制備。

圖1. 氧化限制型高速VCSEL截面示意圖

VCSEL的頻率響應(yīng)可以用傳輸函數(shù)來表征，

3.5. 高速1550 nm VCSEL

1550 nm VCSEL在光纖中傳輸損耗小，更適合于長(zhǎng)距離光纖傳輸[23]。目前，1550 nm VCSEL技術(shù)還不成熟：與長(zhǎng)波長(zhǎng)有源區(qū)相比配的高反射率和低電阻的DBR難以生長(zhǎng)，有效電流限制層難以制備、熱問題顯著。晶圓熔合(WF)技術(shù)為高性能DBR難以形成的問題提供了解決方案。在InP襯底上生長(zhǎng)有源區(qū)，在GaAs襯底上生長(zhǎng)熱性能好的DBR，然后通過晶圓熔合技術(shù)將它們結(jié)合在一起，從而獲得腔長(zhǎng)較短、散熱性能較好的1550 nm VCSEL。此外，掩埋隧道結(jié)(BTJ)結(jié)構(gòu)可減少長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSEL的熱效應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的限制。俄羅斯ITMO大學(xué)的L.Karachinsky團(tuán)隊(duì)通過晶圓融合和BTJ技術(shù)制備了1550 nm VCSEL。 我們與Karachinsky團(tuán)隊(duì)合作，在室溫、6 mA偏置電流和1 V調(diào)制電壓條件下，提高1550 nm VCSEL傳輸速率至37 Gbit/s (3 m 單模光纖)，在誤碼率BER=10?12下眼寬0.25UI(6.75 ps)，總抖動(dòng)75%(20.27 ps)，如圖6所示。

圖6.(a)高速1550 nm VCSEL傳輸眼圖;(b)高速1550 nm VCSEL浴盆曲線。BTJ為6 μm。

4. 結(jié)束語(yǔ)

通過優(yōu)化VCSEL外延設(shè)計(jì)和生長(zhǎng)、器件設(shè)計(jì)和制備、以及性能表征技術(shù)，在多個(gè)波長(zhǎng)的高速VCSEL的調(diào)制帶寬、傳輸速率、模式、功耗等性能方面取得了顯著進(jìn)展。實(shí)現(xiàn)了高速單模940 nm VCSEL 27.65 GHz調(diào)制帶寬和53 Gbit/s傳輸速率;通過波分復(fù)用基于850 nm、880 nm、910 nm和940 nm高速VCSEL實(shí)現(xiàn)了200 Gbit/s鏈路方案;通過光子壽命優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了高速VCSEL低至100 fJ /bit的超低能耗;實(shí)現(xiàn)了1030 nm高速VCSEL 25 GHz調(diào)制帶寬;實(shí)現(xiàn)了1550 nm 高速VCSEL 37 Gbit/s傳輸速率。研制的高速VCSEL在高速光通信等有重要應(yīng)用前景。

審核編輯：湯梓紅