高速垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，長春光機所***院士團隊在《中國光學(xué)》期刊上發(fā)表了題為“長春光機所高速垂直腔面發(fā)射激光器研究進展”的最新論文，團隊通過優(yōu)化VCSEL外延設(shè)計和生長、器件設(shè)計和制備、以及性能表征技術(shù)，在多個波長的高速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)流量的迅速增長牽引，高速VCSEL正向更大帶寬、更高速率方向發(fā)展。長春光機所團隊通過優(yōu)化VCSEL外延設(shè)計和生長、器件設(shè)計和制備、以及性能表征技術(shù)，在多個波長的高速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展。實現(xiàn)高速單模940nm VCSEL 27.65GHz調(diào)制帶寬和53Gbit/s傳輸速率；通過波分復(fù)用基于850nm、880nm、910nm和940nm高速VCSEL實現(xiàn)200Gbit/s鏈路方案；通過光子壽命優(yōu)化，實現(xiàn)高速VCSEL低至100fJ/bit的超低能耗；實現(xiàn)1030nm高速VCSEL 25GHz調(diào)制帶寬；實現(xiàn)1550nm高速VCSEL 37Gbit/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。

引言

隨著流媒體、云計算、區(qū)塊鏈等新興消費和社交媒體的出現(xiàn)，互聯(lián)網(wǎng)流量以每年約60%的速度大幅增長，遠遠超過思科（Cisco）公司預(yù)測。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，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等多個研究組都實現(xiàn)了850nm VCSEL近30 GHz的調(diào)制帶寬。CHENG C L、HAGHIGHI N、SIMPANEN E在940nm、980nm和1060nm波長高速VCSEL研究方面，也分別實現(xiàn)了類似的指標。在高速VCSEL傳輸速率方面，KUCHTA D M等人采用前饋均衡驅(qū)動實現(xiàn)不歸零碼（NRZ-OOK）調(diào)制下71Gb/s數(shù)據(jù)傳輸。4電平脈沖幅度調(diào)制（PAM4）可進一步提升傳輸速率，并可通過均衡和前向糾錯進一步提升傳輸速率至200Gbit/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。單模VCSEL可延長傳輸距離至2000m以上。在能耗方面，MOSER P實現(xiàn)了56fJ/bit@25Gb/s的超低能耗。

面向高速光通信需求，研究人員從高速VCSEL帶寬限制機理和提升方法出發(fā)，通過優(yōu)化VCSEL外延設(shè)計和生長、器件設(shè)計和制備以及性能表征技術(shù)，在多個波長高速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展，可滿足不同應(yīng)用場景。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的研究進展；第四部分進行總結(jié)。

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。DBR由兩種具有不同折射率、每層厚度為四分之一波長的材料交替生長組成；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，

為了提高調(diào)制帶寬，需要增大馳豫振蕩頻率，減小阻尼因子和增大寄生截止頻率。

。..。.. 高速1030nm VCSEL

相比于850nm波長VCSEL，1030nm波長VCSEL在光纖傳輸中的色散和衰減大大降低，有利于提高傳輸距離。此外，1030nm VCSEL可應(yīng)用于850?1060nm波段（間隔30nm）的WDM，提高光纖鏈路的通信容量和傳輸速率。

本課題組采用應(yīng)變InGaAs/GaAsP量子阱、λ/2短光腔和6層氧化物孔設(shè)計，提高縱向光限制因子、降低寄生電容，提高VCSEL的3dB帶寬。研制的高速1030nm VCSEL模擬、測試表征結(jié)果如圖2所示。

圖2 （a）設(shè)計的VCSEL折射率分布和駐波場分布；（b）氧化后的VCSEL截面SEM；（c）1030nm VCSEL L-I-V；（d）1030nm VCSEL光譜；（e）25℃條件下1030nm VCSEL小信號響應(yīng)；（f）85℃條件下1030nm VCSEL小信號響應(yīng)

高速1550nm VCSEL

1550nm VCSEL在光纖中傳輸損耗小，更適合于長距離光纖傳輸。目前，1550nm VCSEL技術(shù)還不成熟：與長波長有源區(qū)相比配的高反射率和低電阻的DBR難以生長，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襯底上生長有源區(qū)，在GaAs襯底上生長熱性能好的DBR，然后通過晶圓熔合技術(shù)將它們結(jié)合在一起，從而獲得腔長較短、散熱性能較好的1550nm VCSEL。此外，掩埋隧道結(jié)（BTJ）結(jié)構(gòu)可減少長波長VCSEL的熱效應(yīng)，并實現(xiàn)對電流的限制。俄羅斯ITMO大學(xué)的L.Karachinsky團隊通過晶圓融合和BTJ技術(shù)制備了1550nm VCSEL。

我們與Karachinsky團隊合作，在室溫、6mA偏置電流和1V調(diào)制電壓條件下，提高1550nm VCSEL傳輸速率至37Gbit/s（3m單模光纖），在誤碼率BER=10?12下眼寬0.25UI（6.75ps），總抖動75%（20.27ps），如圖3所示。

圖3（a）高速1550nm VCSEL傳輸眼圖；（b）高速1550nm VCSEL浴盆曲線。BTJ為6μm。

結(jié)束語

通過優(yōu)化VCSEL外延設(shè)計和生長、器件設(shè)計和制備、以及性能表征技術(shù)，在多個波長的高速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展。實現(xiàn)了高速單模940nm VCSEL 27.65GHz調(diào)制帶寬和53Gbit/s傳輸速率；通過波分復(fù)用基于850nm、880nm、910nm和940nm高速VCSEL實現(xiàn)了200Gbit/s鏈路方案；通過光子壽命優(yōu)化，實現(xiàn)了高速VCSEL低至100fJ/bit的超低能耗；實現(xiàn)了1030nm高速VCSEL 25GHz調(diào)制帶寬；實現(xiàn)了1550nm高速VCSEL 37Gbit/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。

本研究獲得了國家重點研發(fā)計劃（No. 2021YFB2801000，No. 2018YFB2201000）、國家自然科學(xué)基金（No. 61774156，No.62174159，No. 62061136010）、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會（No. 2018249）、中德科學(xué)中心合作交流項目（No. M0386）、吉林省國際合作項目（No. 20210402055GH）的支持。

審核編輯 ：李倩