垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）具有成本低、調(diào)制速率高等優(yōu)點(diǎn)，在光通信領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。隨著數(shù)據(jù)流量的飛速增長，在長距離信息傳輸中，具有低損耗的1550 nm波長的VCSEL引起了研究人員的興趣。

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韓賽一碩士研究生在《發(fā)光學(xué)報(bào)》（EI、核心期刊）發(fā)表了題為“高速1550 nm垂直腔面發(fā)射激光器研究進(jìn)展”的綜述文章。

該綜述重點(diǎn)介紹了1550 nm VCSEL的結(jié)構(gòu)和帶寬限制因素以及提高帶寬和速率的方法，并從NRZ（不歸零）調(diào)制和PAM4（四電平脈沖幅度）調(diào)制兩方面對近年來高速1550 nm VCSEL的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，最后展望了高速1550 nm VCSEL在未來光通信領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。

1. 引言

垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）具有調(diào)制速率高、與光纖的耦合特性很好、能耗低、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，非常適合作為光通信領(lǐng)域的光源。目前，基于GaAs基材料的短波850 nm VCSEL的制備技術(shù)已經(jīng)很成熟，但由于模式色散，在基于850 nm VCSEL的光通信系統(tǒng)中，信息的傳輸距離被限制在數(shù)百米。與之相比，1550 nm波段是光纖的低損耗窗口，在相同的光纖長度下，1550 nm VCSEL在光纖上的傳輸損耗約為850 nm VCSEL在光纖上傳輸損耗的1/10左右，因此更加適合長距離傳輸。

2. 高速VCSEL的帶寬限制因素

要制備具有高調(diào)制帶寬的高速VCSEL，首先要了解限制VCSEL調(diào)制帶寬的因素。從VCSEL的傳遞函數(shù)可知，調(diào)制帶寬主要受到阻尼限制、熱限制和寄生限制。

（1）阻尼限制：若要減小阻尼限制，可以通過刻蝕頂部DBR或在頂部DBR沉積氮化硅減小光子壽命等方法來實(shí)現(xiàn)。

（2）熱限制：VCSEL工作時(shí)溫度升高，有源區(qū)會(huì)出現(xiàn)載流子泄露，使得弛豫振蕩頻率減小，器件帶寬減小。要減小熱限制可以采用短腔或半波長腔來提高光學(xué)限制因子、減小有源區(qū)體積、使用應(yīng)變量子阱增大微分增益，從而提高弛豫振蕩頻率。

（3）寄生限制：VCSEL的寄生效應(yīng)會(huì)影響注入電流進(jìn)入有源區(qū)，從而限制VCSEL的高速調(diào)制性能。要減小寄生限制，需要盡可能地減小VCSEL器件中的電容和電阻，如改變DBR的摻雜分布將吸收損耗降到最小來減小電阻，或通過緩變結(jié)降低異質(zhì)結(jié)處的勢壘尖峰和改善勢壘形狀從而減小電阻。對于氧化限制型VCSEL，使用薄氧化層或多個(gè)氧化層的方法可以減小寄生電容。而對于BTJ結(jié)構(gòu)來說，在制備BTJ結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次生長時(shí)降低摻雜濃度可以減小高摻雜p+n+區(qū)的寄生電容。

3. 1550 nm VCSEL改善高速性能的方法

（1）優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)

目前，1550 nm VCSEL制備工藝仍不完善，主要是基于InP基的具有高折射率和高熱導(dǎo)率的分布式布拉格反射鏡（DBR）難以制備、長波長VCSEL的熱問題較為顯著，1550 nm VCSEL的有效電流限制結(jié)構(gòu)很難形成。為解決以上難題，晶圓熔合（Wafer-fusion，WF）技術(shù)和掩埋隧道結(jié)（BTJ）得到了廣泛的應(yīng)用。圖1所示為1550 nm VCSEL的結(jié)構(gòu)示意圖。

首先，晶圓熔合技術(shù)為高性能DBR難以制備的問題提供了解決方案。在InP襯底上生長有源區(qū)，在GaAs襯底上生長熱性能好的DBR，如GaAs/AlGaAs材料的 DBR，然后通過晶圓熔合技術(shù)將它們結(jié)合在一起，從而獲得腔長較短、散熱性能較好的1550 nm VCSEL。

圖1：1550 nm VCSEL結(jié)構(gòu)示意圖

此外，BTJ結(jié)構(gòu)是目前高速1550 nm VCSEL最常用的結(jié)構(gòu)。BTJ結(jié)構(gòu)可以通過選擇性刻蝕孔徑外的高摻雜n++和p++型層、然后在二次外延生長時(shí)用輕摻雜n型材料覆蓋剩余的p型層來實(shí)現(xiàn)，這一方法大大減少了p區(qū)的熱效應(yīng)。而且二次外延BTJ結(jié)構(gòu)可以在BTJ區(qū)域外形成一個(gè)阻塞的pn結(jié)層，而在BTJ區(qū)域內(nèi)，由于隧道效應(yīng)，p++n++結(jié)具有較低的電阻。因此電流被限制在重?fù)诫s區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)對電流的限制。此外，通過晶圓熔合技術(shù)制備的1550 nm VCSEL具有散熱性能優(yōu)異的DBR，對解決器件的熱問題也有幫助。田思聰研究員與俄羅斯團(tuán)隊(duì)合作，通過晶圓熔合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了1550 nm VCSEL基于NRZ調(diào)制下37 Gbps的傳輸速率。圖2為該器件在NRZ調(diào)制下的眼圖。

圖2：1550 nm VCSEL傳輸速率為37 Gbit/s時(shí)的NRZ眼圖

（2）使用更高級的調(diào)制格式

隨著研究的發(fā)展，1550 nm高速VCSEL的器件結(jié)構(gòu)不斷完善，但受制于熱效應(yīng)和寄生效應(yīng)，通過改善器件結(jié)構(gòu)來提升VCSEL傳輸速率的方法有一定的上限。因此，為了實(shí)現(xiàn)更高速率的傳輸，在傳輸鏈路中使用更加先進(jìn)、有效的調(diào)制格式來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的調(diào)制格式將成為必然。

傳統(tǒng)的VCSEL 調(diào)制一般使用NRZ 調(diào)制格式，它采用高、低兩種信號電平來表示所要傳輸?shù)臄?shù)字邏輯信號0和1，每個(gè)符號能夠傳輸1 bit 的邏輯信息。而PAM4 信號采用4個(gè)不同的信號電平（00）、（01）、（10）、（11）來進(jìn)行信號傳輸，因此每個(gè)符號上能傳輸?shù)男畔⒃黾訛? bit。這代表著在與NRZ調(diào)制相同的符號率下，PAM4調(diào)制在理論上可以提高一倍的傳輸速率，因此對鏈路的帶寬需求大大降低。

4. 結(jié)論與展望

晶圓熔合技術(shù)和BTJ結(jié)構(gòu)的使用優(yōu)化了1550 nm VCSEL結(jié)構(gòu)，增大了器件的調(diào)制帶寬。而PAM4調(diào)制格式理論上可以在與NRZ調(diào)制格式相同的符號率下，提升一倍的傳輸速率。這些研究都大大地提升了1550 nm VCSEL的高速性能，但目前1 550 nm VCSEL仍面臨很大挑戰(zhàn)，它的制備技術(shù)仍然達(dá)不到850 nm VCSEL那樣成熟，上述器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化并不能完全解決制備上的難題。

因此，在長距離數(shù)據(jù)傳輸中，量子阱（QW）激光器和分布反饋（DFB）激光器仍是主要的光源。但我們可以預(yù)見，隨著研究的不斷深入，這些難題一定會(huì)被完全解決；而且相比PAM4調(diào)制格式更加先進(jìn)的技術(shù)也可能被運(yùn)用到信息傳輸中，1550 nm VCSEL也終將會(huì)在長距離數(shù)據(jù)傳輸中占據(jù)更加重要的地位。

| 論文信息 |

韓賽一, 田思聰, 徐漢陽, 等. 高速1 550 nm垂直腔面發(fā)射激光器研究進(jìn)展[J]. 發(fā)光學(xué)報(bào), 2022, 43(5):736-744. DOI：10.37188/CJL.20220048.

https://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20220048

| 作者簡介 |

韓賽一， 2020年于吉林大學(xué)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(huì)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。

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