高速垂直腔面發(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)，是短距離高速光互連的主要光源。受數(shù)據(jù)流量迅速增長牽引，高速VCSEL正向更大帶寬、更高速率方向發(fā)展。

近日，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所田思聰研究員與徐漢陽碩士研究生等在《發(fā)光學(xué)報(bào)》（EI、Scopus、CSCD、中文核心期刊）發(fā)表了題為“53 Gbit/s高速單模940 nm垂直腔面發(fā)射激光器”的研究文章。

文章通過減小VCSEL氧化孔，實(shí)現(xiàn)了全工作電流下940 nm VCSEL單模輸出，VCSEL調(diào)制帶寬達(dá)27 GHz，基于不歸零碼（NRZ）傳輸速率達(dá)53 Gbit/s。

高速單模VCSEL相比于高速多模VCSEL具有低色散的優(yōu)點(diǎn)，可提高光纖傳輸距離，也更適合于波分復(fù)用（WDM）。VCSEL易產(chǎn)生多個(gè)橫模，通過限制光場可實(shí)現(xiàn)單模VCSEL。其中，通過濕法氧化制備氧化孔限制光場和電場，是獲得高速單模VCSEL的有效方法之一。目前，短距離光互連的通用波長為850 nm。940 nm VCSEL相比于850 nm VCSEL，具有溫度穩(wěn)定性高、色散低等優(yōu)點(diǎn)。

一、高速單模940nm VCSEL

制備了具有不同氧化孔徑（3，6，9 μm）的940 nm VCSEL，并測試了其功率-電流（L-I）、電壓-電流（V-I）和光譜靜態(tài)參數(shù)，以及小信號響應(yīng)動態(tài)參數(shù)，最后選取3 μm氧化孔徑VCSEL進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸測試。VCSEL結(jié)構(gòu)示意圖如圖1（a）所示，制備完成的器件如圖1（b）所示。

圖1：（a）VCSEL 結(jié)構(gòu)示意圖；（b）制備完成的VCSEL

（1）高速 940 nm VCSEL 的L-I、V-I

測試了氧化孔徑分別為3，6，9 μm的VCSEL的L-I、V-I曲線，如圖2所示。隨著氧化孔徑的變化，VCSEL的特性呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。當(dāng)氧化孔徑減小時(shí)，閾值電流減小、飽和功率降低、同偏置電流下的電壓升高。

圖2：室溫條件下（25 ℃）下3，6，9 μm的VCSEL的L-I曲線（a）及V-I曲線（b）

（2）高速 940 nm VCSEL 的光譜

3 μm氧化孔徑VCSEL在整個(gè)工作電流范圍內(nèi)均為單模。其不同電流下的光譜與單模抑制比（SMSR）如圖3所示。但隨著氧化孔徑的增大，對高階模式的限制逐漸減弱，模式數(shù)量不斷增多。6 μm VCSEL已經(jīng)有兩個(gè)模式發(fā)生激射，9 μm VCSEL激射的模式超過10個(gè)。

圖3：室溫條件下（25 ℃）下3 μm氧化孔徑VCSEL在不同工作電流下的光譜（a）及SMSR（b）

（3）高速 940 nm VCSEL 的小信號響應(yīng)

不同孔徑VCSEL的小信號調(diào)制帶寬如圖4所示，其橫坐標(biāo)為測試電流與閾值電流差的平方根，縱坐標(biāo)為小信號調(diào)制帶寬。其中小氧化孔徑VCSEL有源區(qū)體積小，有著較高的調(diào)制帶寬。其中最大調(diào)制帶寬為27 GHz（3 μm氧化孔徑）。

圖4：室溫條件下（25 ℃）下3，6，9 μm的VCSEL的不同電流的小信號調(diào)制帶寬

（4）高速 940 nm VCSEL 的數(shù)據(jù)傳輸

最后，選取3 μm氧化孔徑VCSEL進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸測試，在NRZ調(diào)制格式下實(shí)現(xiàn)53 Gbit/s（BTB）的傳輸速率（圖5）。通過高階調(diào)制方式，可進(jìn)一步提升傳輸速率。

圖5：室溫條件下（25 ℃）下3 μm氧化孔徑的VCSEL的眼圖（BTB）

三、結(jié)論與展望

通過減小VCSEL的氧化孔徑，可實(shí)現(xiàn)VCSEL單模激射，并提高其調(diào)制帶寬和傳輸速率，通過使用3 μm氧化孔徑VCSEL實(shí)現(xiàn)了53 Gbit/s的傳輸速率。目前，雖然能夠在小孔徑VCSEL中實(shí)現(xiàn)單模輸出、高調(diào)制帶寬和高傳輸速率，但是小孔徑VCSEL飽和功率較低。未來可通過優(yōu)化VCSEL外延結(jié)構(gòu)、器件結(jié)構(gòu)、制備工藝等進(jìn)一步提高單模VCSEL的功率、帶寬以及傳輸速率。

| 作者簡介 |

徐漢陽，碩士研究生，2020年于哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）獲得學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所中德綠色光子學(xué)研究中心碩士研究生，主要從事垂直腔面發(fā)射激光器的研究。

田思聰，2012年于吉林大學(xué)獲得博士學(xué)位，現(xiàn)任中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所中德綠色光子學(xué)研究中心研究員，博士研究生導(dǎo)師，主要從事高速半導(dǎo)體激光器的研究。

佟存柱，2005年于中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所獲得博士學(xué)位，發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所研究員，博士研究生導(dǎo)師，主要從事高亮度半導(dǎo)體激光芯片、面發(fā)射激光器和碟片激光器的研究。

王立軍，1982年于吉林大學(xué)獲得碩士學(xué)位，中國科學(xué)院院士，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所研究員，博士研究生導(dǎo)師，主要從事激光技術(shù)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究。

Dieter Bimberg，德國科學(xué)院院士，美國工程院院士，美國發(fā)明家學(xué)會院士，俄羅斯科學(xué)院院士，柏林工業(yè)大學(xué)終身教授，現(xiàn)為中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所中德綠色光子學(xué)研究中心主任，博士研究生導(dǎo)師，主要從事量子點(diǎn)激光器、高速VCSEL的研究。

| 論文信息 |

徐漢陽,田思聰,韓賽一等.53 Gbit/s高速單模940 nm垂直腔面發(fā)射激光器[J].發(fā)光學(xué)報(bào),2022,43(07):1114-112010.37188/CJL.20220106.

https://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20220106

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