清华团队在光通信高速互连技术领域取得新进展

本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）综合

850nm超结构单横模VCSEL芯片，助力短距离高速光通信。

人工智能大模型的基础设施建设迫切需要单通道100Gbps及更高传输速率的数据互联技术。传统的多模VCSEL+多模光纤技术，凭借低功耗和高性价比，已广泛应用于数据中心和智算中心的短距离光互连，但其受限于激光器的色度色散和光纤中的模式色散，该方案存在信道的速率和传输距离的瓶颈问题。相比之下，单横模VCSEL与单模光纤的组合可以从根本上解决传输瓶颈问题，是更高效且更具成本优势的传输方案。

近日，清华大学常瑞华院士团队提出一种基于啁啾高对比度超结构（chirped High-Contrast Metastructure, chirped HCM）的850nm单横模垂直腔面发射激光器（VCSEL）芯片，实现了106 Gbps PAM4传输速率。该设计提出chirped HCM作为VCSEL的顶部反射镜（图1），通过在chirped HCM反射镜中引入了横向渐变的反射率，使其能够与激光的基模强度分布更好地匹配，从而有效抑制高阶模式，最终实现高质量、稳定的单横模激光输出。这一设计与传统多层分布式布拉格反射镜（DBR）相比，不仅具备优异性能，而且简化了制造工艺，非常适合量产。

图1.基于啁啾高对比度超结构（chirped HCM）的单模VCSEL

研究团队对加工完成的 chirped HCM VCSEL结构进行了深入的结构分析（图2）。芯片的扫描电镜（SEM）图像验证了设计的可行性和工艺的均匀稳定性。该技术后续将导入批量生产。

图2.Chirped HCM VCSEL芯片的扫描电镜（SEM）图像

研究团队研发的单模VCSEL在不同温度和电流条件下展现出优异的功率输出特性和光谱稳定性（图3）。测试结果表明，该VCSEL在25°C、50°C和75°C的温度范围内能够保持稳定的输出功率，同时在光束模式方面表现出良好的模式控制能力。进一步测试显示，在2-8mA电流范围和5-75°C的工作温度下，其边模抑制比（SMSR）始终高于40dB，充分体现了其在模式选择性和稳定性方面的显著优势。这些特性使其能够满足短距离高速光互连应用对输出稳定性的严格要求。

图3.Chirped HCM VCSEL的功率输出和光谱稳定性测试

此外，团队对该VCSEL的频率响应、相对强度噪声（RIN）以及高速眼图进行了全面测试和分析（图4）。测试结果显示，该VCSEL在高频范围内保持优异的频率响应特性，能够稳定支持高速数据传输。特别是在最大工作电流（8 mA）条件下，VCSEL的RIN低至-144 dB/Hz，展现了卓越的低噪声性能和传输稳定性。在53Gbps和106Gbps PAM4高速传输测试中，眼图轮廓清晰，完全符合IEEE 802.3db™-2022标准，充分验证了其在高数据速率下的信号完整性和低噪声特性。这些测试结果表明，该设计在数据中心和超算系统短距离光互连中具有广泛应用的潜力。

图4.Chirped HCM VCSEL的频率响应，噪声性能和眼图测试

相关研究成果以“单模啁啾高对比度超构垂直腔面发射激光器，速率达每秒106吉比特的四电平脉冲幅度调制”（Single-Mode Chirped High-Contrast Metastructure VCSEL for 106 Gbps PAM4 Transmission）为题，发表于《光学》（Optica）杂志，并被选为2024年11月的封面，体现了国际学术界对这一技术在短距离高速光通信领域创新价值的认可。

清华大学深圳国际研究生院2021级博士生崔尧为论文第一作者，常瑞华院士为通讯作者。研究得到深圳市科技计划、深港科技创新合作区项目以及广东省重点人才引进项目的资助。

光通信的核心在于利用光信号携带信息。在发射端，将电信号转换成光信号并发送到光纤中。在接收端，通过光探测器将光信号转换成电信号以获取原始数据。同时，为了保证信息的稳定传输，在光信号传输过程中需要使用放大器、调制器、解调器等设备进行处理和调节。

随着信息时代的到来，光通信得到了广泛的应用。它已经成为现代通讯网络的基础设施。具体应用包括：

互联网：光纤连接的互联网具有更高的带宽和更低的延迟，使用户能够更快地进行数据传输和交互。

电视和影音娱乐：通过光纤进行高清视频和音频传输，可以提供更好的观看和听感。

传统电话：大多数长途电话都使用光纤作为传输介质，以提供更稳定、清晰的音频通话。

医疗：高速的光通信技术能够支持医学图像和数据的传输，在遥远的地方也能进行实时的医疗诊断。

金融：在交易和结算等领域，光通信能够提供更快速、可靠的数据传输。

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