53 Gbit/s 高速單模940 nm 垂直腔面發(fā)射激光器

徐漢陽(yáng)，田思聰，韓賽一，潘紹馳，MANSOOR Ahamed，佟存柱，王立軍，BIMBERG Dieter

（1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所Bimberg 中德綠色光子學(xué)研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春 130033；4.柏林工業(yè)大學(xué)固體物理研究所納米光學(xué)中心，德國(guó)柏林 D-10623）

1 引 言

近些年來(lái)，隨著通信技術(shù)的高速發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)的快速普及，數(shù)據(jù)流量也呈現(xiàn)高速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。面對(duì)大量的數(shù)據(jù)流量，特別是數(shù)據(jù)中心之間快速的數(shù)據(jù)傳輸[1]，提高數(shù)據(jù)傳輸速率變得尤為重要。隨著數(shù)據(jù)傳輸流量增長(zhǎng)對(duì)數(shù)據(jù)速率提出越來(lái)越高的要求，電互聯(lián)所能提供的高速傳輸性能并不能滿足人們對(duì)于傳輸速率越來(lái)越高的要求[2]。而光互連與傳統(tǒng)的電互聯(lián)相比，具有高速和低能耗的優(yōu)點(diǎn)，在各性能方面都遙遙領(lǐng)先，尤其是在傳輸速率上。VCSEL 具有調(diào)制速率高、體積小、閾值低、易耦合、易成陣列、出光方向好且成本低[3]的特點(diǎn)，是短距離高速光互聯(lián)的主要光源之一[4]。

與850 nm 相 比，940 nm 的VCSEL 受 溫 度 影響更小，有更低的色散、更低的傳輸損耗、更高的光電探測(cè)器靈敏度，也對(duì)眼睛更加安全[5]。2016年，Lavrencik 等研制了有25 GHz 調(diào)制帶寬的940 nm VCSEL[6]。2017 年，Chi 等 利 用 鋅 離 子 擴(kuò) 散 以及氧化物浮雕孔實(shí)現(xiàn)了在85 ℃下還有近30 GHz的 帶 寬[7]。2018 年，Agustín 等 利 用OM5 光 纖 在 非歸零（NRZ）碼傳輸下達(dá)到了50 Gb/s 的傳輸速率，調(diào)制帶寬在26～28 GHz[8]。同年，Lavrencik 等在利用四脈沖幅度調(diào)制（PAM-4）技術(shù)情況下傳輸速率可以超過(guò)100 Gbit/s[9]。Cheng 等在2019 年制備的VCSEL 采用了氧化限制型的直徑為3 μm 的氧化孔，在百米光纖中的傳輸速率達(dá)到了50 Gbit/s[10]。2020 年，Khan 等優(yōu)化氧化孔徑并利用鋅擴(kuò)散和氧化物浮雕技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高功率單模VCSEL，其功率可達(dá)到7.1 mW，調(diào)制帶寬可以達(dá)到15 GHz，并在400 m 的OM5 光纖上實(shí)現(xiàn)25 Gbit/s 的無(wú)誤碼傳輸（85 ℃）[11]。

VCSEL 的橫向結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)大于縱向結(jié)構(gòu)，因此VCSEL 容易產(chǎn)生多個(gè)橫模。在光纖傳輸中，多模激光的色散比單模激光更大，進(jìn)而對(duì)VCSEL 的傳輸距離以及傳輸速率造成影響[12]。單模的VCSEL可以獲得更長(zhǎng)的傳輸距離、更高的能量效率，同時(shí)也更加適合通過(guò)波分復(fù)用技術(shù)（WDM）來(lái)提高傳輸速率。2019 年，Larisch 等利用粗波分復(fù)用（CWDM）技術(shù)在單根OM5 光纖上達(dá)到了200+Gbit/s 的傳輸速率[13]。除此之外，單模VCSEL 具有更小的孔徑和光斑尺寸，更適合將光耦合進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)光纖[14]。目前，基于單模VCSEL 的多模光纖（MMF）鏈路可以在數(shù)據(jù)中心的傳輸中獲得更高的傳輸速率[15]。為了獲得單模VCSEL，有許多種不同的實(shí)現(xiàn)橫向光學(xué)和電流限制方法[16]。其中利用濕法氧化制備氧化孔并通過(guò)氧化孔進(jìn)行限制是目前獲得高速單模VCSEL 最為簡(jiǎn)單的方式[17]。

目前，高速單模940 nm VCSEL 研究較少。針對(duì)高速單模940 nm VCSEL 的應(yīng)用價(jià)值，我們制備了不同氧化孔徑的940 nm VCSEL，研究了VCSEL氧化孔徑對(duì)其調(diào)制帶寬、模式和輸出功率的影響。在3，6，9 μm 的氧化孔徑下實(shí)現(xiàn)了單模、少模、多模（SM、FM、MM）的VCSEL。3，6，9 μm 氧化孔徑的VCSEL 的最高輸出功率分別為2.92，6.79，10.49 mW，調(diào)制帶寬分別為27.65，23.34，20.56 GHz。最后，我們?cè)? μm 氧化孔徑VCSEL 中實(shí)現(xiàn)了非歸零（NRZ）調(diào)制下53 Gbit/s 的傳輸速率。

2 高速氧化限制型940 nm VCSEL結(jié)構(gòu)

本文所制備的VCSEL 的橫截面如圖1（a）所示，其結(jié)構(gòu)從上到下依次為P 電極、P 型接觸層、P型分布布拉格反射鏡（DBR）、上氧化層、有源區(qū)、下氧化層、N 型DBR、N 型接觸層、共面電極以及襯底。制備完成后的VCSEL 如圖1（b）所示。

圖1 （a）VCSEL 橫截面；（b）制備完成后的VCSEL。Fig.1 （a）Cross section of VCSEL.（b）VCSEL device after preparation.

因?yàn)閂CSEL 的腔長(zhǎng)非常短，所以需要高反射率的反射鏡來(lái)獲得足夠的光學(xué)增益，通常采用多對(duì)半導(dǎo)體DBR[18]。其中上DBR 與下DBR 為兩種不同鋁組分的AlxGa1-xAs 層交替生長(zhǎng)，為了減小DBR 界面處的勢(shì)壘電阻，在兩層DBR 之間加入一層組分線性漸變層[19]。下DBR 的反射率接近100%，而上DBR 的反射率比下DBR 略低以作為激光的出射鏡。為降低熱阻，在下DBR 上選擇使用二元化合物AlAs。

濕法氧化是VCSEL 芯片制造中最關(guān)鍵的工藝，氧化孔徑的大小將直接關(guān)系到最終芯片的質(zhì)量與性能[20]。VCSEL 幾乎不會(huì)出現(xiàn)多縱模，但是很容易出現(xiàn)高階橫模[21]。為了減少高階橫模，制作單模以及少模VCSEL，需要限制載流子和光子的側(cè)向擴(kuò)散[22]。上下氧化層都是采用的Al0.98Ga0.02As，因?yàn)锳lAs 氧化速率極快且氧化后收縮率較高[23]，很容易造成氧化層開裂。制備的上臺(tái)面直徑為16 ～32 μm 不等，氧化結(jié)束后可以得到多個(gè)氧化孔從小依次變大的VCSEL。氧化時(shí)氧化爐通入帶有水蒸氣的高溫氮?dú)鈱?duì)芯片進(jìn)行氧化，通過(guò)紅外攝像機(jī)觀察氧化深度直到最小的臺(tái)面的氧化孔徑為1～2 μm，而最大的臺(tái)面依然保留較大的氧化孔徑（大于10 μm）。為了確定更加準(zhǔn)確的氧化深度，還可以將芯片解離，通過(guò)SEM 觀察切面確定氧化深度。

3 高速940 nm VCSEL性能測(cè)試表征

高速VCSEL 性能測(cè)試表征分為靜態(tài)參數(shù)測(cè)試表征（功率-電流-電壓（L-I-V）和光譜）和動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試表征（小信號(hào)響應(yīng)和數(shù)據(jù)傳輸）。測(cè)試系統(tǒng)使用GSG 探針，三個(gè)探針分別壓在VCSEL 對(duì)應(yīng)的GSG 電極上。在獲得L-I-V曲線后，以L-I-V曲線為基礎(chǔ)，用光纖將激光導(dǎo)入光譜儀，分別測(cè)得在不同電流下的光譜以及激射的模式數(shù)量。并計(jì)算單模VCSEL 的邊模抑制比（SMSR），當(dāng)邊模抑制比大于30 dB 時(shí)即可認(rèn)為此時(shí)VCSEL 為單模。

3.1 高速940 nm VCSEL 的輸出功率和電壓

我們首先通過(guò)調(diào)節(jié)電流源獲得功率-電流（L-I）、電壓-電流（V-I）曲線。當(dāng)功率下降了10%以上時(shí)停止測(cè)試，功率最大時(shí)的電流即為反轉(zhuǎn)電流。我們測(cè)試了氧化孔徑分別為3，6，9 μm（氧化孔徑存在±0.5 μm 的誤差）的VCSEL 的L-I、V-I曲線、功率-電流密度曲線，如圖2 所示。

圖2 不同氧化孔徑VCSEL 在室溫（25 ℃）下的L-I 曲線（a）、功率-電流密度曲線（b）、V-I 曲線（c）。Fig.2 Curves of VCSEL with different aperture diameter at room temperature（25 ℃）.（a）L-I curve.（b）Outpowercurrent density curve.（c）V-I curve.

其中圖2（a）為L(zhǎng)-I曲線，因?yàn)橄嗤娏飨滦〉难趸讖娇梢垣@得更高的電流密度，所以閾值電流（Ith）隨著孔徑的增大而增加。3 μm VCSEL 的閾值電流僅為0.37 mA，與之相對(duì)的，6 μm VCSEL 和9 μm VCSEL 的閾值電流增加到0.9 mA 和1.4 mA。通過(guò)對(duì)L-I曲線的線性部分進(jìn)行擬合并計(jì)算出三種VCSEL 的斜率效率分別為：3 μm VCSEL 的1 W/A，6 μm VCSEL 的0.9 W/A，9 μm VCSEL 的0.9 W/A。三種VCSEL 的斜率效率接近，但是孔徑的減小會(huì)導(dǎo)致散熱問題加劇、同電流下電流密度更高。小孔徑VCSEL 在較小的電流下就會(huì)發(fā)生載流子和電流泄漏，進(jìn)而在較小的電流下就會(huì)達(dá)到光功率飽和。最小孔徑的3 μm VCSEL 最高功率為2.92 mW，而大孔徑的6 μm 與9μm VCSEL 分別可以達(dá)到6.79 與10.49 mW。如圖2（b）所示，在相同電流密度下時(shí)，氧化孔徑較大的VCSEL 有著較高的功率，并且隨著電流密度的增加，功率也增加得更快，會(huì)比氧化孔徑較小的VCSEL 更早地達(dá)到飽和功率。3 μm VCSEL 在電流密度為66 kA/cm2時(shí)達(dá)到飽和功率，而6 μm 與9 μm VCSEL 分別只需要在38 kA/cm2與26 kA/cm2時(shí)即可達(dá)到飽和功率。同時(shí)也可在圖2（c）的V-I曲線中看到，當(dāng)三種VCSEL 在電流達(dá)到飽和前在相同電流下工作時(shí)，孔徑較小的VCSEL 有著較高的電流密度，同時(shí)也表現(xiàn)出較高的電壓以及微分電阻。飽和電流下，3 μm VCSEL 微分電阻為380 Ω，而6 μm 與9 μm VCSEL 的 微 分 電 阻 分 別 為175 Ω 與100 Ω。

3.2 高速940 nm VCSEL 的模式特性

我們使用光纖將VCSEL 激光導(dǎo)入光譜儀，分別測(cè)得在不同電流下的光譜，結(jié)果如圖3 所示。在3 μm VCSEL 的光譜中（圖3（a）），直到飽和電流前，在不同電流下都很好地保持著單模情況，且可以清晰地看出其波長(zhǎng)隨著電流的增加而不斷發(fā)生紅移。3 μm VCSEL 不同電流下的單模抑制比如圖3（b）所示，可以看到在不同電流下的邊模抑制比（SMSR）均大于30 dB，在4 mA 處 仍達(dá)到44.45 dB。這說(shuō)明該激光器有著很好的單模特性。在圖3（c）中可以看到6 μm VCSEL 已經(jīng)有兩個(gè)模式發(fā)生激射，而第三個(gè)模式也即將出現(xiàn)，直到達(dá)到飽和電流（Is）時(shí)依舊能保持較少的模式數(shù)量，相比之下圖3（d）中的9 μm VCSEL 激射的模式已經(jīng)超過(guò)10 個(gè)。隨著氧化孔徑的增大，對(duì)高階模式的限制逐漸減弱。因?yàn)檠趸锵拗茀^(qū)域的折射率低于中間的孔徑部分，所以高階模式會(huì)從短波長(zhǎng)處開始出現(xiàn)[24]。

圖3 不同孔徑不同模式數(shù)量VCSEL 在室溫（25 ℃）下的光譜。（a）3 μm 孔徑單模VCSEL；（b）3 μm 孔徑單模VCSEL 在不同電流下的SMSR；（c）6 μm 孔徑少模VCSEL；（d）9 μm 孔徑多模VCSEL。Fig.3 Spectra of VCSEL with different aperture and different mode number at room temperature（25 ℃）.（a）3 μm aperture single-mode VCSEL.（b）SMSR of 3 μm aperture single-mode VCSEL at different currents.（c）6 μm aperture few mode VCSEL.（d）9 μm aperture multimode VCSEL.

3.3 高速940 nm VCSEL 的小信號(hào)響應(yīng)

我們還測(cè)試了3，6，9 μm 高速940 nm VCSEL的小信號(hào)響應(yīng)。在小信號(hào)測(cè)量中利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量VCSEL 在不同電流下的小信號(hào)響應(yīng)并擬合得到VCSEL 的3 dB 帶寬。不同孔徑VCSEL的小信號(hào)調(diào)制帶寬如圖4 所示，其橫坐標(biāo)為測(cè)試電流與閾值電流差的平方根，縱坐標(biāo)為小信號(hào)調(diào)制帶寬。

圖4 不同孔徑VCSEL 在室溫（25 ℃）下不同電流的小信號(hào)調(diào)制帶寬Fig.4 Small signal modulation bandwidth of different aperture devices under different currents at room temperature（25 ℃）

隨著電流的增大，小信號(hào)調(diào)制帶寬隨著電流的增加而增加，最大帶寬往往出現(xiàn)在飽和電流前。氧化孔徑較小的VCSEL 有著更高的調(diào)制帶寬。這是因?yàn)樾⊙趸讖絍CSEL 的有源區(qū)體積較小，而有源區(qū)體積的減小可以增大D因子以及弛豫振蕩頻率，進(jìn)而增大調(diào)制帶寬[25]。3 μm VCSEL 最大可達(dá)到27.65 GHz，小信號(hào)調(diào)制帶寬關(guān)于測(cè)試電流與閾值電流差的平方根的斜率（MCEF）為17.91 GHz/mA1/2。而6 μm 與9 μm VCSEL 最大帶寬分別可以達(dá)到23.34 GHz 與20.56 GHz，MCEF分別為10.08 GHz/mA1/2與7.09 GHz/mA1/2。三個(gè)VCSEL 的參數(shù)如表1 所示。

表1 三個(gè)VCSEL 的特性對(duì)比Tab.1 Characteristic comparison of three VCSELs

3.4 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(cè)試。調(diào)制信號(hào)由碼型發(fā)生器（BPG）產(chǎn)生，信號(hào)是一個(gè)字長(zhǎng)為27-1 的偽隨機(jī)二進(jìn)制序列。通過(guò)長(zhǎng)度3 m 多模光纖耦合VCSEL 的光信號(hào)。光信號(hào)由光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后通過(guò)示波器來(lái)進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)參數(shù)優(yōu)化，在3.5 mA 工作電流、1 V 調(diào)制電壓下實(shí)現(xiàn)了53 Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸眼圖，如圖5（a）所示。圖5（b）中浴盆曲線在誤碼率（BER）為10-12處可以看到眼睛張開幅度約有0.25 UI（4.72 ps），總抖動(dòng)為75%（14.15 ps）。6 μm 與9 μm VCSEL 的調(diào)制帶寬稍低，傳輸速率則低于3 μm VCSEL，這里不再給出傳輸眼圖。未來(lái)我們還將繼續(xù)研究利用PAM-4技術(shù)來(lái)提升該單模940 nm VCSEL 的傳輸速率[26]。

圖5 （a）3 μm VCSEL 53 Gbit/s 數(shù)據(jù)傳輸速率在室溫（25 ℃）下的眼圖；（b）3 μm VCSEL 53 Gbit/s 數(shù)據(jù)傳輸速率在室溫（25 ℃）下的浴盆曲線。Fig.5 （a）Eye diagram at 53 Gbit/s modulation rate of 3 μm VCSEL at room temperature（25 ℃）.（b）Bathtub curve at 53 Gbit/s modulation rate of 3 μm VCSEL at room temperature（25 ℃）.

4 結(jié) 論

本文制備了氧化孔徑不同的940 nm VCSEL，并在3，6，9 μm VCSEL 中分別實(shí)現(xiàn)了單模、少模和多模激射。隨著VCSEL 的孔徑增加，閾值電流逐漸增大，飽和功率逐漸增大，激射的模式逐漸增多，調(diào)制帶寬逐漸降低，最高的傳輸速率在3 μm VCSEL 上 獲 得。當(dāng)3 μm VCSEL 工 作 在3.5 mA調(diào)制電流、1 V 調(diào)制電壓下時(shí)，實(shí)現(xiàn)了NRZ 調(diào)制下53 Gbit/s 的傳輸速率。目前，雖然能夠在小孔徑VCSEL 中獲得單模輸出和較高的調(diào)制帶寬與傳輸速率，但是小孔徑VCSEL 飽和功率較低?？梢酝ㄟ^(guò)優(yōu)化外延結(jié)構(gòu)、VCSEL 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。

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