田思聪，佟存柱 ，王立军 ，Bimberg Dieter,3

（1. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, Bimberg 中德绿色光子学研究中心,吉林长春 130033；2. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 发光学及应用国家重点实验室, 吉林长春 130033；3. 柏林工业大学, 固体物理研究所, 纳米光学中心, 德国柏林 D-10623）

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[2]。

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[3-5]。CHENG C L、HAGHIGHI N、SIMPANEN E 在940 nm、980 nm和1 060 nm 波长高速VCSEL 研究方面，也分别实现了类似的指标[6-8]。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[9]。4 电平脉冲幅度调制（PAM4）可进一步提升传输速率[10]，并可通过均衡和前向纠错进一步提升传输速率至200 Gbit/s[11]。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2000 m 以上[13]。在能耗方面，MOSER P 实现了56f J/bit @25 Gb/s 的超低能耗[14]。

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Fig. 1 Schematic diagram of the cross-section of the oxidation-limited high-speed VCSEL

VCSEL 的频率响应可以用传输函数来表征，

式 (1) 中C是常数，i 是虚数单位，fr是驰豫振荡频率，γ是阻尼因子，fp是寄生截止频率。式 (1)中第一部分表示本征响应，第二部分表示寄生响应。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。

驰豫振荡频率fr是激光腔内载流子和光子之间的本征振荡频率，可用式（2）表示：

式 (2) 中Ith为阈值电流，D因子用于表示驰豫振荡频率与电流变化的关系，可表示为

式 (3) 中， ηi为 内量子效率，Γ为光学限制因子，νg为 群速度，∂g/∂n是微分增益，V为有源区体积，χ为传输因子。由此可知，为增大D因子（驰豫振荡频率），需要加强光限制，增大微分增益，提高载流子传输速率和效率。

阻尼因子γ可表示为γ0

式 (4) 中， 为阻尼补偿因子，K因子表示如下

式 (5) 中，τp为 光子寿命，ε 为增益压缩因子。由式(5) 可知，可以通过光子寿命 τp来调控阻尼γ。此外，阻尼随电流的增加而增加，阻尼限制的本征带宽为

由于寄生效应和热效应的存在，VCSEL 实际测量的调制带宽通常远小于本征调制带宽。为提高寄生限制的带宽，需要降低氧化层电容和串联电阻。此外，随着电流增加，量子效率降低，VCSEL 的温度升高，VCSEL 发射波长红移，逐渐与DBR 模式失配，最终达到热限制的带宽。因此为提高热限制的带宽，需要减少VCSE 自热，这可通过降低串联电阻、降低自由载流子吸收、增加热导来实现。

根据以上讨论，采用应变量子阱提高微分增益；采用短腔长和小氧化孔提高光限制因子；采用高热导DBR 和优化器件设计改善热限制；通过DBR 调制掺杂降低串联电阻；采用低介电常数绝缘材料降低电极电容；通过多氧化层设计降低台面电容；调控光子寿命合理减小阻尼，提高了多个波长的高速VCSEL 的调制带宽和传输速率。

3 高速VCSEL 研究进展

3.1 高速单模VCSEL

高速单模VCSEL 相比于高速多模VCSEL 具有低色散的优点，可提高光纤传输距离，也更适合于WDM[15]。本课题组研制了不同氧化孔径的940 nm VCSEL，测试表征了3 μm、6 μm 和9 μm氧化孔径VCSEL 的功率-电流（L-I）、电压-电流（V-I）、光谱、小信号响应和传输速率，结果如图2（彩图见期刊电子版）所示。

从图2 可以看出，随着VCSEL 氧化孔径的增加，VCSEL 的阈值电流逐渐增大，饱和功率逐渐增大，激射模式逐渐增多，调制带宽逐渐降低。其中，氧化孔径为3 μm 的VCSEL 在整个工作电流下都呈现单模，3dB 带宽为27.65 GHz。最后，选取3 μm 氧化孔径VCSEL，在室温、3.5 mA 偏置电流和1 V 调制电压下，在3 m 长MMF 中实现基于NRZ-OOK 调制53 Gbit/s 的传输速率。

3.2 基于WDM 的200G/s 光链路

WDM 可以提升光链路的通信容量和传输速率。4 个波长WDM 传输系统示意图如图3（a）（彩图见期刊电子版）所示。本课题组研制了850 nm、880 nm、910 nm 和940 nm 4 个波长的高速VCSEL。4 个波长的高速VCSEL 在3 μm 氧化孔径下都呈现单模特性，如图3（b）（彩图见期刊电子版）所示。以850 nm 高速VCSEL 为例，单个高速VCSEL 的传输速率可达50 Gbit/s。因此，通过WDM，可实现200 Gbit/s 的数据传输，满足IEEE 802.3 bs 标准。

图3 （a）基于4 个波长的VCSEL 和多模光纤的WDM 传输示意图[2]；（b）850 nm、880 nm、910 nm 和940 nm高速VCSEL 光谱[12]Fig. 3 (a) Schematic diagram of the WDM system using four VCSELs and MMF[2]; (b) the optical spectrum of the 850 nm、880 nm、910 nm and 940 nm VCSELs[12]

相比于高阶调制（如PAM 4），WDM 在提高光链路传输速率的同时，还有助于优化光链路能耗。WDM 不仅增加了传输链路的带宽，而且VCSEL 的数量为优化目标比特率的能耗提供了新的自由度[12]。

3.3 高速低功耗VCSEL

虽然提高光链路的传输速率可以通过使用高阶的调制格式（如PAM4）以及具有前向纠错和均衡的电驱动来实现，但是需要比较不同方案下的相同传输速率的能耗。通过刻蚀顶部DBR[17-18]或在顶部DBR 的表面上沉积SiN[19]，可以调控VCSEL 的光子寿命和阻尼，提高VCSEL 的输出功率和3dB 带宽。此外，较小的氧化孔径VCSEL 通常具有较大的3dB 带宽和更高的能效。图4 为高速VCSEL 的能耗EDR 与比特率BR 的关系的实验结果，其中蓝线代表具有7.1 ps 光子寿命的VCSEL，红线代表具有2.6 ps 光子寿命的VCSEL。两条曲线有一个交点（横坐标对应坐标44 Gbit/s）。通过交点的虚线将其分成两个区域。在虚线右侧区域（传输速率＞44 Gbit/s），具有2.6 ps 光子寿命的VCSEL 能耗更低，在虚线左侧区域（传输速率＜44 Gbit/s），具有7.1 ps 光子寿命的VCSEL 能耗更低。

图4 较长光子寿命（蓝线）和较短光子寿命（红线）的高速VCSEL 的大信号调制的比特率BR 和能耗EDR 关系。通过实验计算的频谱效率约为M=2.1[20]Fig. 4 EDR and BR values from large signal measurements, for a long photon lifetime (blue) and a short photon lifetime (red). The spectral efficiency of M=2.1 bit was found experimentally by the large signal measurement results[20]

因此，可通过光子寿命和比特率的优化降低光链路的能耗。例如，使用具有2.6 ps 光子寿命的VCSEL，50 Gbit/s 的EDR 为400 fJ/bit，200 Gbit/s的光链路中VCSEL 能耗为1 600 fJ/bit。而使用具有7.1 ps 光子寿命的VCSEL，25 Gbit/s 的EDR为100 fJ/bit，200 Gbit/s 的光链路中VCSEL 能耗为800 fJ/bit。因此，对于相同的200 Gbit/s 光链路，通过光子寿命和比特率优化，可降低光链路能耗50%以上[20]。结合低功耗电驱动芯片，光模块能耗可低于4pJ/bit[21]。此外，在25 Gbit/s 的工作条件下，较低的电流密度可减小热量并降低设备故障的风险。

3.4 高速1 030 nm VCSEL

相比于850 nm 波长VCSEL，1 030 nm 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[22]。此外，1 030 nmVCSEL 可应用于850-1 060 nm 波段（间隔30 nm）的WDM，提高光纤链路的通信容量和传输速率。

我们采用应变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1 030 nm VCSEL 模拟、测试表征结果如图5 所示。其中，氧化孔径为7 μm 的VCSEL 室温条件下阈值电流为0.53 mA，最高功率4.5 mW。随着温度的升高，VCSEL 阈值电流增大，出光功率减小，波长红移。室温条件下3 dB 带宽大于25 GHz；高温85 °C 条件下3 dB 带宽大于20 GHz。在频谱效率M=2.1 的系统下可实现大于50 Gbit/s的数据传输。

图5 （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）1 030 nm VCSEL L-I-V；（d）1 030 nm VCSEL 光谱；（e）25 ℃条件下1 030 nm VCSEL 小信号响应；（f）85 ℃条件下1 030 nm VCSEL 小信号响应Fig. 5 (a) Refractive index profile and the standing wave distribution of the designed VCSEL; (b)SEM image of the cross section of the VCSEL after the oxidation; (c) the L-I-V of the 1 030 nm VCSEL; (d) the optical spectrum of the 1 030 nm VCSEL; (e) the small signal response of the 1 030 nm VCSEL at 25 °C; (f) the small signal response of the 1 030 nm VCSEL at 85 °C

3.5 高速1 550 nm VCSEL

1 550 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，1 550 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1 550 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1 550 nm VCSEL[24]。

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1 550 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1 550 nm VCSEL 传输眼图；（b）高速1 550 nm VCSEL 浴盆曲线。BTJ 为6 μm。Fig. 6 (a) The eye diagram of the 1 550 nm VCSEL; (b) the bathtub curve of the 1 550 nm VCSEL. BTJ is 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1 030 nm高速VCSEL 25 GHz 调制带宽；实现了1 550 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。

致谢：感谢Gunter Larisch 博士，Leonid Karachinsky 教授、Ahamed Mansoor 博士、王延靖博士、佟海霞硕士、徐汉阳硕士、韩赛一硕士、潘绍驰硕士的相关工作。