长春光机所高速垂直腔面发射激光器研究进展

摘要：高速垂直腔面发射激光器(VCSEL)是高速光通信的主要光源之一，受数据流量的迅速增长牵引，高速VCSEL正向更大带宽、更高速率方向发展。长春光机所团队通过优化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。实现高速单模940nm VCSEL 27.65 GHz调制带宽和53 Gbit/s传输速率;通过波分复用基于850 nm、880nm、910nm和940nm高速VCSEL实现200 Gbit/s链路方案;通过光子寿命优化，实现高速VCSEL低至100 fJ/bit的超低能耗;实现1030nm高速VCSEL 25GHz调制带宽;实现1550nm高速VCSEL 37 Gbit/s传输速率。研制的高速VCSEL在光通信等领域有重要应用前景。

1. 引言

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[1]。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850 nm VCSEL近30 GHz的调制带宽。CHENG C L、HAGHIGHI N、SIMPANEN E在940 nm、980 nm和1060 nm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71 Gb/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200 Gbit/s。通过波分复用(WDM)，可大大增加光链路的容量和传输速率[12]。单模VCSEL可延长传输距离至2000m以上。在能耗方面，MOSER P实现了56f J/bit @25 Gb/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。

2. 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(彩图见期刊电子版)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，

3.5. 高速1550 nm VCSEL

1550 nm VCSEL在光纤中传输损耗小，更适合于长距离光纤传输[23]。目前，1550 nm 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1550 nm 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1550 nm VCSEL。 我们与Karachinsky团队合作，在室温、6 mA偏置电流和1 V调制电压条件下，提高1550 nm VCSEL传输速率至37 Gbit/s (3 m 单模光纤)，在误码率BER=10−12下眼宽0.25UI(6.75 ps)，总抖动75%(20.27 ps)，如图6所示。

图6.(a)高速1550 nm VCSEL传输眼图;(b)高速1550 nm VCSEL浴盆曲线。BTJ为6 μm。

4. 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940 nm VCSEL 27.65 GHz调制带宽和53 Gbit/s传输速率;通过波分复用基于850 nm、880 nm、910 nm和940 nm高速VCSEL实现了200 Gbit/s链路方案;通过光子寿命优化，实现了高速VCSEL低至100 fJ /bit的超低能耗;实现了1030 nm高速VCSEL 25 GHz调制带宽;实现了1550 nm 高速VCSEL 37 Gbit/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。

审核编辑：汤梓红