高速垂直腔面发射激光器（VCSEL）
据麦姆斯咨询报道，近日，长春光机所王立军院士团队在《中国光学》期刊上发表了题为“长春光机所高速垂直腔面发射激光器研究进展”的最新论文，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。
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 27.65ghz调制带宽和53gbit/s传输速率；通过波分复用基于850nm、880nm、910nm和940nm高速vcsel实现200gbit/s链路方案；通过光子寿命优化，实现高速vcsel低至100fj/bit的超低能耗；实现1030nm高速vcsel 25ghz调制带宽；实现1550nm高速vcsel 37gbit/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。
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。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850nm vcsel近30 ghz的调制带宽。cheng c l、haghighi n、simpanen e在940nm、980nm和1060nm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71gb/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200gbit/s。通过波分复用（wdm），可大大增加光链路的容量和传输速率。单模vcsel可延长传输距离至2000m以上。在能耗方面，moser p实现了56fj/bit@25gb/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。
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，
为了提高调制带宽，需要增大驰豫振荡频率，减小阻尼因子和增大寄生截止频率。
。..。.. 高速1030nm vcsel
相比于850nm波长vcsel，1030nm波长vcsel在光纤传输中的色散和衰减大大降低，有利于提高传输距离。此外，1030nm vcsel可应用于850−1060nm波段（间隔30nm）的wdm，提高光纤链路的通信容量和传输速率。
本课题组采用应变ingaas/gaasp量子阱、λ/2短光腔和6层氧化物孔设计，提高纵向光限制因子、降低寄生电容，提高vcsel的3db带宽。研制的高速1030nm vcsel模拟、测试表征结果如图2所示。
图2 （a）设计的vcsel折射率分布和驻波场分布；（b）氧化后的vcsel截面sem；（c）1030nm vcsel l-i-v；（d）1030nm vcsel光谱；（e）25℃条件下1030nm vcsel小信号响应；（f）85℃条件下1030nm vcsel小信号响应
高速1550nm vcsel
1550nm vcsel在光纤中传输损耗小，更适合于长距离光纤传输。目前，1550nm 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1550nm 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1550nm vcsel。
我们与karachinsky团队合作，在室温、6ma偏置电流和1v调制电压条件下，提高1550nm vcsel传输速率至37gbit/s（3m单模光纤），在误码率ber=10−12下眼宽0.25ui（6.75ps），总抖动75%（20.27ps），如图3所示。
图3（a）高速1550nm vcsel传输眼图；（b）高速1550nm vcsel浴盆曲线。btj为6μm。
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940nm vcsel 27.65ghz调制带宽和53gbit/s传输速率；通过波分复用基于850nm、880nm、910nm和940nm高速vcsel实现了200gbit/s链路方案；通过光子寿命优化，实现了高速vcsel低至100fj/bit的超低能耗；实现了1030nm高速vcsel 25ghz调制带宽；实现了1550nm高速vcsel 37gbit/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。
本研究获得了国家重点研发计划（no. 2021yfb2801000，no. 2018yfb2201000）、国家自然科学基金（no. 61774156，no.62174159，no. 62061136010）、中国科学院青年创新促进会（no. 2018249）、中德科学中心合作交流项目（no. m0386）、吉林省国际合作项目（no. 20210402055gh）的支持。
基于列车无线电应用的频谱将实现全球统一
苹果最新 MacOS 安全更新包中含有针对 USB 代码执行漏洞的补丁
一文了解几款常用的4.0/4.2/5.0BLE蓝牙模块
启航2023，铭普光磁年度代理商大会成功召开！
输入失调电压和输入失调电流的区别
高速垂直腔面发射激光器（VCSEL）
耳机功放有什么特殊要求
基于杭州晶华微SD8000系列芯片的人体红外测温解决方案
怎样用iPhoneXR拍出好照片
设计基于LED的视频显示板,Designing an LED
生活污水处理站水质在线检测项目案例
主题：中国电影金鸡奖的智能画风，跨年之际一定要看
电脑音视频暂停再继续，声音突然变大
AllSeen联盟宣布最新成员加入 集行业之力共推万物互联
用BA5104/BA8206设计音响红外遥控电路
友讯发布2.5千兆USB有线网卡
华为盘古大模型和华为鲲鹏区别
人机合一的医疗诊断将会提高效率与准确率
丝网印刷的多功能性和广泛应用！
应用于音响功放组成推免结构电路中的MOS管是什么型号呢
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 27.65ghz调制带宽和53gbit/s传输速率；通过波分复用基于850nm、880nm、910nm和940nm高速vcsel实现200gbit/s链路方案；通过光子寿命优化，实现高速vcsel低至100fj/bit的超低能耗；实现1030nm高速vcsel 25ghz调制带宽；实现1550nm高速vcsel 37gbit/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。
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。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850nm vcsel近30 ghz的调制带宽。cheng c l、haghighi n、simpanen e在940nm、980nm和1060nm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71gb/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200gbit/s。通过波分复用（wdm），可大大增加光链路的容量和传输速率。单模vcsel可延长传输距离至2000m以上。在能耗方面，moser p实现了56fj/bit@25gb/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。
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，
为了提高调制带宽，需要增大驰豫振荡频率，减小阻尼因子和增大寄生截止频率。
。..。.. 高速1030nm vcsel
相比于850nm波长vcsel，1030nm波长vcsel在光纤传输中的色散和衰减大大降低，有利于提高传输距离。此外，1030nm vcsel可应用于850−1060nm波段（间隔30nm）的wdm，提高光纤链路的通信容量和传输速率。
本课题组采用应变ingaas/gaasp量子阱、λ/2短光腔和6层氧化物孔设计，提高纵向光限制因子、降低寄生电容，提高vcsel的3db带宽。研制的高速1030nm vcsel模拟、测试表征结果如图2所示。
图2 （a）设计的vcsel折射率分布和驻波场分布；（b）氧化后的vcsel截面sem；（c）1030nm vcsel l-i-v；（d）1030nm vcsel光谱；（e）25℃条件下1030nm vcsel小信号响应；（f）85℃条件下1030nm vcsel小信号响应
高速1550nm vcsel
1550nm vcsel在光纤中传输损耗小，更适合于长距离光纤传输。目前，1550nm 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1550nm 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1550nm vcsel。
我们与karachinsky团队合作，在室温、6ma偏置电流和1v调制电压条件下，提高1550nm vcsel传输速率至37gbit/s（3m单模光纤），在误码率ber=10−12下眼宽0.25ui（6.75ps），总抖动75%（20.27ps），如图3所示。
图3（a）高速1550nm vcsel传输眼图；（b）高速1550nm vcsel浴盆曲线。btj为6μm。
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940nm vcsel 27.65ghz调制带宽和53gbit/s传输速率；通过波分复用基于850nm、880nm、910nm和940nm高速vcsel实现了200gbit/s链路方案；通过光子寿命优化，实现了高速vcsel低至100fj/bit的超低能耗；实现了1030nm高速vcsel 25ghz调制带宽；实现了1550nm高速vcsel 37gbit/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。
本研究获得了国家重点研发计划（no. 2021yfb2801000，no. 2018yfb2201000）、国家自然科学基金（no. 61774156，no.62174159，no. 62061136010）、中国科学院青年创新促进会（no. 2018249）、中德科学中心合作交流项目（no. m0386）、吉林省国际合作项目（no. 20210402055gh）的支持。
基于列车无线电应用的频谱将实现全球统一
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一文了解几款常用的4.0/4.2/5.0BLE蓝牙模块
启航2023，铭普光磁年度代理商大会成功召开！
输入失调电压和输入失调电流的区别
高速垂直腔面发射激光器（VCSEL）
耳机功放有什么特殊要求
基于杭州晶华微SD8000系列芯片的人体红外测温解决方案
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人机合一的医疗诊断将会提高效率与准确率
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应用于音响功放组成推免结构电路中的MOS管是什么型号呢