近日，长春光机所王立军院士团队在《中国光学》期刊上发表了题为“长春光机所高速垂直腔面发射激光器研究进展”的最新论文，团队通过优化VCSEL外延设计和生长、器件设计和制备、以及性能表征技术，在多个波长的高速VCSEL的调制带宽、传输速率、模式、功耗等性能方面取得了显著进展。
随着流媒体、云计算、区块链等新兴消费和社交媒体的出现，互联网流量以每年约60%的速度大幅增长，远远超过思科（Cisco）公司预测。垂直腔面发射激光器（VCSEL）具有阈值电流低、量子效率高、调制带宽高、能耗低等优点，基于VCSEL和多模光纤（MMF）是数据传输的重要组成部分。数据流量的迅速增长牵引VCSEL向更大带宽、更高速率、更低能耗方向发展。
在高速VCSEL调制带宽方面，查尔姆斯理工大学（CUT）、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）、Finisar等多个研究组都实现了850nm VCSEL近30 GHz的调制带宽。CHENG C L、HAGHIGHI N、SIMPANEN E在940nm、980nm和1060nm波长高速VCSEL研究方面，也分别实现了类似的指标。在高速VCSEL传输速率方面，KUCHTA D M等人采用前馈均衡驱动实现不归零码（NRZ-OOK）调制下71Gb/s数据传输。4电平脉冲幅度调制（PAM4）可进一步提升传输速率，并可通过均衡和前向纠错进一步提升传输速率至200Gbit/s。通过波分复用（WDM），可大大增加光链路的容量和传输速率。单模VCSEL可延长传输距离至2000m以上。在能耗方面，MOSER P实现了56fJ/bit@25Gb/s的超低能耗。
面向高速光通信需求，研究人员从高速VCSEL带宽限制机理和提升方法出发，通过优化VCSEL外延设计和生长、器件设计和制备以及性能表征技术，在多个波长高速VCSEL的调制带宽、传输速率、模式、功耗等性能方面取得了显著进展，可满足不同应用场景。本文接下来第二部分将介绍带宽限制因素和提升方法；第三部分介绍本课题组高速VCSEL的研究进展；第四部分进行总结。
高速VCSEL带宽限制因素
氧化限制型高速VCSEL截面示意图如图1所示。其主要包括有源区，p-和n-布拉格反射镜（DBR），单层或多层氧化孔，苯丙环丁烯（BCB）填平材料，p-、n-电极和共面电极。有源区可为量子阱或量子点。DBR由两种具有不同折射率、每层厚度为四分之一波长的材料交替生长组成；氧化孔可通过湿法氧化高Al组分的氧化层制备。
图1 氧化限制型高速VCSEL截面示意图
VCSEL的频率响应可以用传输函数来表征，
为了提高调制带宽，需要增大驰豫振荡频率，减小阻尼因子和增大寄生截止频率。
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高速1030nm VCSEL
相比于850nm波长VCSEL，1030nm波长VCSEL在光纤传输中的色散和衰减大大降低，有利于提高传输距离。此外，1030nm VCSEL可应用于850−1060nm波段（间隔30nm）的WDM，提高光纤链路的通信容量和传输速率。
本课题组采用应变InGaAs/GaAsP量子阱、λ/2短光腔和6层氧化物孔设计，提高纵向光限制因子、降低寄生电容，提高VCSEL的3dB带宽。研制的高速1030nm VCSEL模拟、测试表征结果如图2所示。
图2 （a）设计的VCSEL折射率分布和驻波场分布；（b）氧化后的VCSEL截面SEM；（c）1030nm VCSEL L-I-V；（d）1030nm VCSEL光谱；（e）25℃条件下1030nm VCSEL小信号响应；（f）85℃条件下1030nm VCSEL小信号响应
高速1550nm VCSEL
1550nm VCSEL在光纤中传输损耗小，更适合于长距离光纤传输。目前，1550nm VCSEL技术还不成熟：与长波长有源区相比配的高反射率和低电阻的DBR难以生长，有效电流限制层难以制备、热问题显著。晶圆熔合（WF）技术为高性能DBR难以形成的问题提供了解决方案。在InP衬底上生长有源区，在GaAs衬底上生长热性能好的DBR，然后通过晶圆熔合技术将它们结合在一起，从而获得腔长较短、散热性能较好的1550nm VCSEL。此外，掩埋隧道结（BTJ）结构可减少长波长VCSEL的热效应，并实现对电流的限制。俄罗斯ITMO大学的L.Karachinsky团队通过晶圆融合和BTJ技术制备了1550nm VCSEL。
我们与Karachinsky团队合作，在室温、6mA偏置电流和1V调制电压条件下，提高1550nm VCSEL传输速率至37Gbit/s（3m单模光纤），在误码率BER=10−12下眼宽0.25UI（6.75ps），总抖动75%（20.27ps），如图3所示。
图3（a）高速1550nm VCSEL传输眼图；（b）高速1550nm VCSEL浴盆曲线。BTJ为6μm。
结束语
通过优化VCSEL外延设计和生长、器件设计和制备、以及性能表征技术，在多个波长的高速VCSEL的调制带宽、传输速率、模式、功耗等性能方面取得了显著进展。实现了高速单模940nm VCSEL 27.65GHz调制带宽和53Gbit/s传输速率；通过波分复用基于850nm、880nm、910nm和940nm高速VCSEL实现了200Gbit/s链路方案；通过光子寿命优化，实现了高速VCSEL低至100fJ/bit的超低能耗；实现了1030nm高速VCSEL 25GHz调制带宽；实现了1550nm高速VCSEL 37Gbit/s传输速率。研制的高速VCSEL在高速光通信等有重要应用前景。
本研究获得了国家重点研发计划（No. 2021YFB2801000，No. 2018YFB2201000）、国家自然科学基金（No. 61774156，No.62174159，No. 62061136010）、中国科学院青年创新促进会（No. 2018249）、中德科学中心合作交流项目（No. M0386）、吉林省国际合作项目（No. 20210402055GH）的支持。
（来源：MEMS）
