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。
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1. 引言
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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。
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