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发光学报 | 高速单模940 nm垂直腔面发射激光器

2022-10-12 11:57

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

高速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，是短距离高速光互连的主要光源。受数据流量迅速增长牵引，高速VCSEL正向更大带宽、更高速率方向发展。

近日，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所田思聪研究员与徐汉阳硕士研究生等在《发光学报》（EI、Scopus、CSCD、中文核心期刊）发表了题为“53 Gbit/s高速单模940 nm垂直腔面发射激光器”的研究文章。

文章通过减小VCSEL氧化孔，实现了全工作电流下940 nm VCSEL单模输出，VCSEL调制带宽达27 GHz，基于不归零码（NRZ）传输速率达53 Gbit/s。

高速单模VCSEL相比于高速多模VCSEL具有低色散的优点，可提高光纤传输距离，也更适合于波分复用（WDM）。VCSEL易产生多个横模，通过限制光场可实现单模VCSEL。其中，通过湿法氧化制备氧化孔限制光场和电场，是获得高速单模VCSEL的有效方法之一。目前，短距离光互连的通用波长为850 nm。940 nm VCSEL相比于850 nm VCSEL，具有温度稳定性高、色散低等优点。

一、高速单模940nm VCSEL

制备了具有不同氧化孔径（3，6，9 μm）的940 nm VCSEL，并测试了其功率-电流（L-I）、电压-电流（V-I）和光谱静态参数，以及小信号响应动态参数，最后选取3 μm氧化孔径VCSEL进行数据传输测试。VCSEL结构示意图如图1（a）所示，制备完成的器件如图1（b）所示。

图1：（a）VCSEL 结构示意图；（b）制备完成的VCSEL

（1）高速 940 nm VCSEL 的L-I、V-I

测试了氧化孔径分别为3，6，9 μm的VCSEL的L-I、V-I曲线，如图2所示。随着氧化孔径的变化，VCSEL的特性呈现出一定的规律。当氧化孔径减小时，阈值电流减小、饱和功率降低、同偏置电流下的电压升高。

图2：室温条件下（25 ℃）下3，6，9 μm的VCSEL的L-I曲线（a）及V-I曲线（b）

（2）高速 940 nm VCSEL 的光谱

3 μm氧化孔径VCSEL在整个工作电流范围内均为单模。其不同电流下的光谱与单模抑制比（SMSR）如图3所示。但随着氧化孔径的增大，对高阶模式的限制逐渐减弱，模式数量不断增多。6 μm VCSEL已经有两个模式发生激射，9 μm VCSEL激射的模式超过10个。

图3：室温条件下（25 ℃）下3 μm氧化孔径VCSEL在不同工作电流下的光谱（a）及SMSR（b）

（3）高速 940 nm VCSEL 的小信号响应

不同孔径VCSEL的小信号调制带宽如图4所示，其横坐标为测试电流与阈值电流差的平方根，纵坐标为小信号调制带宽。其中小氧化孔径VCSEL有源区体积小，有着较高的调制带宽。其中最大调制带宽为27 GHz（3 μm氧化孔径）。

图4：室温条件下（25 ℃）下3，6，9 μm的VCSEL的不同电流的小信号调制带宽

（4）高速 940 nm VCSEL 的数据传输

最后，选取3 μm氧化孔径VCSEL进行数据传输测试，在NRZ调制格式下实现53 Gbit/s（BTB）的传输速率（图5）。通过高阶调制方式，可进一步提升传输速率。

图5：室温条件下（25 ℃）下3 μm氧化孔径的VCSEL的眼图（BTB）

三、结论与展望

通过减小VCSEL的氧化孔径，可实现VCSEL单模激射，并提高其调制带宽和传输速率，通过使用3 μm氧化孔径VCSEL实现了53 Gbit/s的传输速率。目前，虽然能够在小孔径VCSEL中实现单模输出、高调制带宽和高传输速率，但是小孔径VCSEL饱和功率较低。未来可通过优化VCSEL外延结构、器件结构、制备工艺等进一步提高单模VCSEL的功率、带宽以及传输速率。

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