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高速垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)

MEMS ? 來(lái)源:麥姆斯咨詢 ? 作者:麥姆斯咨詢 ? 2022-10-27 16:06 ? 次閱讀

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道,近日,長(zhǎng)春光機(jī)所***院士團(tuán)隊(duì)在《中國(guó)光學(xué)》期刊上發(fā)表了題為“長(zhǎng)春光機(jī)所高速垂直腔面發(fā)射激光器研究進(jìn)展”的最新論文,團(tuán)隊(duì)通過(guò)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。

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(guò)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 27.65GHz調(diào)制帶寬和53Gbit/s傳輸速率;通過(guò)波分復(fù)用基于850nm、880nm、910nm和940nm高速VCSEL實(shí)現(xiàn)200Gbit/s鏈路方案;通過(guò)光子壽命優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)高速VCSEL低至100fJ/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 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(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(guò)思科(Cisco)公司預(yù)測(cè)。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(zhǎng)高速VCSEL研究方面,也分別實(shí)現(xiàn)了類(lèi)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71Gb/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(guò)均衡和前向糾錯(cuò)進(jìn)一步提升傳輸速率至200Gbit/s。通過(guò)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(zhǎng)傳輸距離至2000m以上。在能耗方面,MOSER P實(shí)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(jī)理和提升方法出發(fā),通過(guò)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(lái)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)。

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(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(guò)濕法氧化高Al組分的氧化層制備。

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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(lái)表征,

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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(zhǎng)VCSEL,1030nm波長(zhǎng)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(jì),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(cè)試表征結(jié)果如圖2所示。

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圖2 (a)設(shè)計(jì)的VCSEL折射率分布和駐波場(chǎng)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(hào)響應(yīng);(f)85℃條件下1030nm VCSEL小信號(hào)響應(yīng)

高速1550nm VCSEL

1550nm VCSEL在光纖中傳輸損耗小,更適合于長(zhǎng)距離光纖傳輸。目前,1550nm 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(wèn)題顯著。晶圓熔合(WF)技術(shù)為高性能DBR難以形成的問(wèn)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(guò)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1550nm 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(guò)晶圓融合和BTJ技術(shù)制備了1550nm VCSEL。

我們與Karachinsky團(tuán)隊(duì)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(dòng)75%(20.27ps),如圖3所示。

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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(yǔ)

通過(guò)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940nm VCSEL 27.65GHz調(diào)制帶寬和53Gbit/s傳輸速率;通過(guò)波分復(fù)用基于850nm、880nm、910nm和940nm高速VCSEL實(shí)現(xiàn)了200Gbit/s鏈路方案;通過(guò)光子壽命優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了高速VCSEL低至100fJ/bit的超低能耗;實(shí)現(xiàn)了1030nm高速VCSEL 25GHz調(diào)制帶寬;實(shí)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(No. 2021YFB2801000,No. 2018YFB2201000)、國(guó)家自然科學(xué)基金(No. 61774156,No.62174159,No. 62061136010)、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)(No. 2018249)、中德科學(xué)中心合作交流項(xiàng)目(No. M0386)、吉林省國(guó)際合作項(xiàng)目(No. 20210402055GH)的支持。

審核編輯 :李倩

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原文標(biāo)題:綜述:長(zhǎng)春光機(jī)所高速VCSEL研究進(jìn)展

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