80 Gb/s 高速PAM4 調(diào)制850 nm 垂直腔面發(fā)射激光器

王延靖，佟存柱，*，欒曉倩，蔣 寧，佟海霞，汪麗杰，，田思聰，孟 博

（1. 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點實驗室，吉林 長春 130033；2. 吉光半導(dǎo)體科技有限公司，吉林 長春 130031）

1 引 言

在過去的二十年中，850 nm 氧化物限制多模垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）在低成本、小體積、低功耗等方面充分表現(xiàn)出了其在短距離多模光纖數(shù)據(jù)通信應(yīng)用中的優(yōu)勢[1-2]。其具備高可靠性和滿足不斷增長的數(shù)據(jù)速率需求的能力[3]。更高數(shù)據(jù)速率需求的主要驅(qū)動因素是數(shù)據(jù)和存儲中心以及超級計算。目前，市場仍由100 GSR4 收發(fā)器占據(jù)主導(dǎo)地位，使用4 個通道，每個通道25 Gb∕s。然而，200 G∕400 G 模塊自2021 年以來不斷增加，每通道25~28 Gbaud 4 電平脈沖幅度調(diào)制（PAM4）的VCSEL 已經(jīng)在批量生產(chǎn)。

預(yù)計即將到來的800 G 需求將于2023 年開始逐步增加[4]。隨著業(yè)界技術(shù)發(fā)展，將支持每個光信道100 Gb∕s 的下一代光鏈路，許多公司正在采用先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)，如多電平調(diào)制格式PAM4，這對VCSEL 的性能提出了更高的要求, 需要大帶寬、平坦的頻率響應(yīng)、高線性、低相對強(qiáng)度噪聲（RIN）和窄光譜寬度等[5]。尤其是53 GBaud 的PAM4 信號，在相同的波特率和功率下比不歸零（NRZ）信號對幅度噪聲更敏感，需要重新評估噪聲源，如RIN、模式分割噪聲（MPN）和模式噪聲（MN）[6-8]。最近，幾個研究組報道了使用PAM4 調(diào)制實現(xiàn)高達(dá)100 Gb∕s 數(shù)據(jù)傳輸速率的令人印象深刻的結(jié)果。2020 年，美國Broadcom 公司通過優(yōu)化弛豫振蕩頻率和RIN，最終實現(xiàn)了106 Gb∕s 數(shù)據(jù)傳輸速率[9-11]。2022 年，Ⅱ-Ⅵ公司通過平坦化調(diào)制響應(yīng)曲線和低至-150 dB∕Hz 的RIN，實現(xiàn)了PAM4 調(diào)制106 Gb∕s 數(shù)據(jù)傳輸速率[12]。2020 年，住友電工通過優(yōu)化光限制因子和拓展調(diào)制帶寬，實現(xiàn)85 ℃時106 Gb∕s 數(shù)據(jù)傳輸速率[13]。這些結(jié)果表明，開發(fā)能夠在53 GBaud（大于100 Gb∕s PAM4）下運行的850 nm VCSEL 將使新一代企業(yè)的存儲網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器到服務(wù)器和交換機(jī)到交換機(jī)連接以及高性能計算和機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)成為可能。

本文介紹了高速氧化限制型850 nm VCSEL的研究。相對于本課題組之前的研究成果[14-15]，我們采用了一種綜合的優(yōu)化設(shè)計方案，重點是通過優(yōu)化外延結(jié)構(gòu)設(shè)計來實現(xiàn)更大的光限制因子和更高的微分增益，以實現(xiàn)帶寬拓展。我們通過對頂層DBR 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計以及部分刻蝕來調(diào)控光子壽命，在實現(xiàn)較為平坦調(diào)制響應(yīng)的同時，獲得了較小的RIN。

2 設(shè)計與制備

2.1 設(shè)計

對于超高速PAM4 調(diào)制，不僅需要具有高的3 dB 帶寬,而且需要平坦的頻率響應(yīng)。VCSEL 的小信號調(diào)制由以下傳遞函數(shù)表示[16]：

其中fr表示弛豫振蕩頻率，fp表示寄生截止頻率，γ表示阻尼系數(shù)。弛豫振蕩頻率fr表示為：

其中ηi是內(nèi)部量子效率，Γ是光學(xué)限制因子，vg是群速度，La是量子阱的總厚度，?g∕?n是微分增益，χ是傳輸因子。阻尼系數(shù)γ表示為

其中τp是光子壽命。

對于實現(xiàn)非常高的f3dB，需要同時具有高的fr和fp，并且最佳的γ是必要的。我們通過降低接觸焊盤和半導(dǎo)體層的電容來實現(xiàn)增加fp。限制VCSELf3dB的另一重要因素是固有內(nèi)在因素，也即需要提高fr，fr表達(dá)式如公式（2）所示。在這項工作中，我們優(yōu)化了外延層設(shè)計，包括優(yōu)化InGaAs∕Al-GaAs 來提高微分增益（?g∕?n），設(shè)計更短的λ∕2 腔來提高光限制因子(Γ)。雖然在γ很小時即可以達(dá)到最大的f3dB（弱阻尼），然而有研究表明高速PAM4 調(diào)制需要更強(qiáng)的阻尼來獲得平坦的頻率響應(yīng)[13]。因此，我們通過改變光子壽命來平衡高f3dB和足夠的阻尼。

2.2 制備

采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）生長850 nm VCSEL外延材料。底部DBR 主要由Al0.12GaAs∕AlAs 交疊制成，以降低熱阻抗。為了防止高鋁組分層被氧化，靠近有源區(qū)部分由3 對Al0.12GaAs∕Al0.9GaAs組成。頂部DBR均由Al0.12GaAs∕Al0.9GaAs制成。DBR 具有漸變界面和調(diào)制摻雜，以實現(xiàn)低電阻和內(nèi)部光學(xué)損耗。在有源區(qū)上方p-DBR 中放置多個氧化物孔，用于載流子限制與降低寄生電容。兩個濕法氧化后的Al0.98Ga0.02As 層用來限制橫向光場和電流。4 個Al0.96Ga0.04As 層用于減少氧化物孔徑寄生電容。我們使用半波長（λ∕2）厚的腔來實現(xiàn)高的縱向光學(xué)限制。在有源區(qū)，我們使用了應(yīng)變InGaAs∕AlGaAs 多量子阱，高摻雜GaAs 被用作P 接觸層。為了實現(xiàn)光子壽命控制，我們通過優(yōu)化頂部DBR 層的數(shù)量和對GaAs 接觸層進(jìn)行部分刻蝕來進(jìn)行反射率的調(diào)控。對于器件制備，首先通過電感耦合等離子體（ICP）刻蝕方法制備了直徑為25 μm 的臺面，并使用激光干涉儀監(jiān)測刻蝕深度。在干法蝕刻之后，將樣品送至充滿H2O 蒸氣和N2載氣的氧化爐，以橫向氧化含高鋁組分的Al0.98GaAs 和Al0.96GaAs 層。氧化物的側(cè)視圖掃描電子顯微鏡（SEM）圖像層如圖1（c）所示。分 別 蒸 鍍 并 退 火p 型Ti∕Pt∕Au 和n 型Ni∕AuGe∕Ni∕Au 金 屬 接 觸 電 極。最 終 使 用 苯 并 環(huán) 丁烯（BCB）進(jìn)行平坦化，以及地∕信號（GS）共面電極蒸鍍。圖1（a）所示為VCSEL 器件示意圖，圖1（b）顯示了VCSEL 顯微鏡圖。

圖1 850 nm VCSEL。 （a）器件示意圖；（b）俯視顯微鏡圖；（c）截面SEM 圖。Fig.1 850 nm VCSEL. （a）Device schematic diagram. （b）Overhead microscope view. （c）Cross section SEM image.

3 結(jié)果與討論

圖2 顯示了VCSEL 的典型光輸出功率-電流-電壓（L-I-V）特性。具有閾值電流0.69 mA，斜率效率0.75 W∕A，在7 mA 時的電壓為2.6 V，光功率為4.8 mW，微分電阻為91 Ω。如圖3 所示，在7 mA 下的光譜顯示了854.3 nm 的峰值波長，我們采用RMS 來定義光譜寬度，其表示為[17]:

圖2 L-I-V 曲線Fig.2 L-I-V curve

圖3 850 nm VCSEL 光譜Fig.3 The optical spectrum of the 850 nm VCSEL

其中λ0為平均波長，Pi和λi分別表示峰值至小于峰值20 dB 的激光光譜范圍內(nèi)第i個模式的峰值功率和波長。測得均方根光譜寬度為0.9 nm，大于數(shù)據(jù)傳輸100 m 距離所需光譜寬度（<0.6 nm）[10]，具有較大的譜寬是因為較大的氧化孔徑（~7 μm）導(dǎo)致的。這表明需要進(jìn)一步提高VCSEL 輸出光譜性能，采用較小的氧化孔（~3 μm）、出光孔表面制備微結(jié)構(gòu)以及多孔干涉等都是較為有效的方法。

小信號測量使用67 GHz Keysight 網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行，頻率響應(yīng)如圖4 所示，顯示出非常平坦的特性，3 dB 帶寬為24 GHz。如圖5 所示為測得的RIN 譜，RIN 值約為-155 dB∕Hz。已有一些研究表明，實現(xiàn)100 Gb∕s 高速VCSEL，相應(yīng)的RIN 值需要小 于-150 dB∕Hz[5]。因 此 我 們 研 制 的VCSEL 具 有較小的RIN 值，支持高速850 nm VCSEL 實現(xiàn)100 Gb∕s 的數(shù)據(jù)傳輸速率。

圖4 調(diào)制帶寬曲線Fig.4 Modulation bandwidth curve

圖5 RIN 譜Fig.5 RIN spectrum

VCSEL 的大信號性能是在晶圓上使用GS射頻探針進(jìn)行表征的。圖6 顯示了用于大信號調(diào)制的測量裝置。射頻調(diào)制信號和直流偏置電流通過偏置三通相結(jié)合來驅(qū)動VCSEL。采用SHF 碼型發(fā)生器與數(shù)模轉(zhuǎn)換器生成PAM4 調(diào)制信號。從VCSEL 輸出的光耦合到多模光纖MMF。使用高速探測器與泰克示波器獲得和分析眼圖。在背靠背光纖傳輸測試中使用了多模OM5 光纖。

圖6 PAM4 大信號調(diào)制測量實驗裝置Fig.6 Experimental device for PAM4 large signal modulation measurement

圖7 顯示了VCSEL 在偏壓電流為7 mA 時，50，60，80 Gbit∕s PAM4 調(diào)制 的眼圖，未采用任何預(yù)加重與均衡技術(shù)，發(fā)射色散眼圖閉合代價（TDECQ）值分別為1.3，2.3，2.7 dB。所有條件下的消光比（ER）均大于2.5 dB。雖然使用53.125 GBd PAM4 的MMF 鏈路的TDECQ 要求尚未定義，但目前26.562 5 GBd PAM4 鏈路的上限目標(biāo)值為小于4.5 dB[5]。所制備VCSEL 在速率高達(dá)80 Gb∕s 時，TDECQ 值小于4.5 dB，這表明其具有良好的TDECQ 值。然而，這距離100 Gb∕s 的數(shù)據(jù)傳輸速率還有一定的差距，需要進(jìn)一步提高VCSEL 高速性能，以實現(xiàn)更高速率工作。

圖7 不同PAM4 調(diào)制速率下的眼圖。 （a）50 Gb∕s；（b）60 Gb∕s；（c）80 Gb∕s。Fig.7 Eye graph at different PAM4 modulation rates. （a）50 Gb∕s. （b）60 Gb∕s. （c）80 Gb∕s.

4 結(jié) 論

本文展示了一種可以不采用任何預(yù)加重和均衡技術(shù)實現(xiàn)80 Gb∕s 數(shù)據(jù)傳輸速率的 PAM4調(diào)制 850 nm VCSEL。在7 mA 偏置電流下，對各項性能進(jìn)行了測試，閾值電流0.69 mA, 功率4.8 mW, RMS 為0.9 nm, 3 dB 帶 寬24 GHz，且 具有 平 坦 的 頻 率 響 應(yīng)，RIN 值-155 dB∕Hz，TDECQ值2.7 dB。這些測試結(jié)果表明，我們研制的850 nm 高速VCSEL 具有優(yōu)良的性能，雖然距離下 一 代100 Gb∕s 高 速VCSEL 還 有 一 定 差 距，但是我們相信經(jīng)過進(jìn)一步的外延優(yōu)化設(shè)計，包括高微分增益量子阱設(shè)計和摻雜優(yōu)化等，將獲得更高的調(diào)制帶寬，最終將實現(xiàn)100 Gb∕s 數(shù)據(jù)傳輸速率。因此，所研制的VCSEL 具有良好的應(yīng)用潛力。

本文專家審稿意見及作者回復(fù)內(nèi)容的下載地址：http:∕∕cjl. lightpublishing. cn∕thesisDetails#10.37188∕CJL.20230170.