53 Gbit/s 高速單模940 nm 垂直腔面發射激光器

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

（1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所Bimberg 中德綠色光子學研究中心，吉林 長春 130033；2.中國科學院大學，北京 100049；3.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所發光學及應用國家重點實驗室，吉林長春 130033；4.柏林工業大學固體物理研究所納米光學中心，德國柏林 D-10623）

1 引 言

近些年來，隨著通信技術的高速發展、網絡的快速普及，數據流量也呈現高速增長的態勢。面對大量的數據流量，特別是數據中心之間快速的數據傳輸[1]，提高數據傳輸速率變得尤為重要。隨著數據傳輸流量增長對數據速率提出越來越高的要求，電互聯所能提供的高速傳輸性能并不能滿足人們對于傳輸速率越來越高的要求[2]。而光互連與傳統的電互聯相比，具有高速和低能耗的優點，在各性能方面都遙遙領先，尤其是在傳輸速率上。VCSEL 具有調制速率高、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，是短距離高速光互聯的主要光源之一[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、更高的光電探測器靈敏度，也對眼睛更加安全[5]。2016年，Lavrencik 等研制了有25 GHz 調制帶寬的940 nm VCSEL[6]。2017 年，Chi 等 利 用 鋅 離 子 擴 散 以及氧化物浮雕孔實現了在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）碼傳輸下達到了50 Gb/s 的傳輸速率，調制帶寬在26～28 GHz[8]。同年，Lavrencik 等在利用四脈沖幅度調制（PAM-4）技術情況下傳輸速率可以超過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到了50 Gbit/s[10]。2020 年，Khan 等優化氧化孔徑并利用鋅擴散和氧化物浮雕技術實現了高功率單模VCSEL，其功率可達到7.1 mW，調制帶寬可以達到15 GHz，并在400 m 的OM5 光纖上實現25 Gbit/s 的無誤碼傳輸（85 ℃）[11]。

VCSEL 的橫向結構遠大于縱向結構，因此VCSEL 容易產生多個橫模。在光纖傳輸中，多模激光的色散比單模激光更大，進而對VCSEL 的傳輸距離以及傳輸速率造成影響[12]。單模的VCSEL可以獲得更長的傳輸距離、更高的能量效率，同時也更加適合通過波分復用技術（WDM）來提高傳輸速率。2019 年，Larisch 等利用粗波分復用（CWDM）技術在單根OM5 光纖上達到了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，更適合將光耦合進標準光纖[14]。目前，基于單模VCSEL 的多模光纖（MMF）鏈路可以在數據中心的傳輸中獲得更高的傳輸速率[15]。為了獲得單模VCSEL，有許多種不同的實現橫向光學和電流限制方法[16]。其中利用濕法氧化制備氧化孔并通過氧化孔進行限制是目前獲得高速單模VCSEL 最為簡單的方式[17]。

目前，高速單模940 nm VCSEL 研究較少。針對高速單模940 nm VCSEL 的應用價值，我們制備了不同氧化孔徑的940 nm VCSEL，研究了VCSEL氧化孔徑對其調制帶寬、模式和輸出功率的影響。在3，6，9 μm 的氧化孔徑下實現了單模、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，調制帶寬分別為27.65，23.34，20.56 GHz。最后，我們在3 μm 氧化孔徑VCSEL 中實現了非歸零（NRZ）調制下53 Gbit/s 的傳輸速率。

2 高速氧化限制型940 nm VCSEL結構

本文所制備的VCSEL 的橫截面如圖1（a）所示，其結構從上到下依次為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、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.

因為VCSEL 的腔長非常短，所以需要高反射率的反射鏡來獲得足夠的光學增益，通常采用多對半導體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，為了減小DBR 界面處的勢壘電阻，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 芯片制造中最關鍵的工藝，氧化孔徑的大小將直接關系到最終芯片的質量與性能[20]。VCSEL 幾乎不會出現多縱模，但是很容易出現高階橫模[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向擴散[22]。上下氧化層都是采用的Al0.98Ga0.02As，因為AlAs 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。制備的上臺面直徑為16 ～32 μm 不等，氧化結束后可以得到多個氧化孔從小依次變大的VCSEL。氧化時氧化爐通入帶有水蒸氣的高溫氮氣對芯片進行氧化，通過紅外攝像機觀察氧化深度直到最小的臺面的氧化孔徑為1～2 μm，而最大的臺面依然保留較大的氧化孔徑（大于10 μm）。為了確定更加準確的氧化深度，還可以將芯片解離，通過SEM 觀察切面確定氧化深度。

3 高速940 nm VCSEL性能測試表征

高速VCSEL 性能測試表征分為靜態參數測試表征（功率-電流-電壓（L-I-V）和光譜）和動態參數測試表征（小信號響應和數據傳輸）。測試系統使用GSG 探針，三個探針分別壓在VCSEL 對應的GSG 電極上。在獲得L-I-V曲線后，以L-I-V曲線為基礎，用光纖將激光導入光譜儀，分別測得在不同電流下的光譜以及激射的模式數量。并計算單模VCSEL 的邊模抑制比（SMSR），當邊模抑制比大于30 dB 時即可認為此時VCSEL 為單模。

3.1 高速940 nm VCSEL 的輸出功率和電壓

我們首先通過調節電流源獲得功率-電流（L-I）、電壓-電流（V-I）曲線。當功率下降了10%以上時停止測試，功率最大時的電流即為反轉電流。我們測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-I曲線，因為相同電流下小的氧化孔徑可以獲得更高的電流密度，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。通過對L-I曲線的線性部分進行擬合并計算出三種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，但是孔徑的減小會導致散熱問題加劇、同電流下電流密度更高。小孔徑VCSEL 在較小的電流下就會發生載流子和電流泄漏，進而在較小的電流下就會達到光功率飽和。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 分別可以達到6.79 與10.49 mW。如圖2（b）所示，在相同電流密度下時，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，會比氧化孔徑較小的VCSEL 更早地達到飽和功率。3 μm VCSEL 在電流密度為66 kA/cm2時達到飽和功率，而6 μm 與9 μm VCSEL 分別只需要在38 kA/cm2與26 kA/cm2時即可達到飽和功率。同時也可在圖2（c）的V-I曲線中看到，當三種VCSEL 在電流達到飽和前在相同電流下工作時，孔徑較小的VCSEL 有著較高的電流密度，同時也表現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 激光導入光譜儀，分別測得在不同電流下的光譜，結果如圖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隨著電流的增加而不斷發生紅移。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 仍達到44.45 dB。這說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 已經有兩個模式發生激射，而第三個模式也即將出現，直到達到飽和電流（Is）時依舊能保持較少的模式數量，相比之下圖3（d）中的9 μm VCSEL 激射的模式已經超過10 個。隨著氧化孔徑的增大，對高階模式的限制逐漸減弱。因為氧化物限制區域的折射率低于中間的孔徑部分，所以高階模式會從短波長處開始出現[24]。

圖3 不同孔徑不同模式數量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 的小信號響應

我們還測試了3，6，9 μm 高速940 nm VCSEL的小信號響應。在小信號測量中利用矢量網絡分析儀測量VCSEL 在不同電流下的小信號響應并擬合得到VCSEL 的3 dB 帶寬。不同孔徑VCSEL的小信號調制帶寬如圖4 所示，其橫坐標為測試電流與閾值電流差的平方根，縱坐標為小信號調制帶寬。

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

隨著電流的增大，小信號調制帶寬隨著電流的增加而增加，最大帶寬往往出現在飽和電流前。氧化孔徑較小的VCSEL 有著更高的調制帶寬。這是因為小氧化孔徑VCSEL 的有源區體積較小，而有源區體積的減小可以增大D因子以及弛豫振蕩頻率，進而增大調制帶寬[25]。3 μm VCSEL 最大可達到27.65 GHz，小信號調制帶寬關于測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VCSEL 的參數如表1 所示。

表1 三個VCSEL 的特性對比Tab.1 Characteristic comparison of three VCSELs

3.4 高速940 nm VCSEL 的數據傳輸

最后，選取3 μm 氧化孔徑VCSEL 進行數據傳輸測試。調制信號由碼型發生器（BPG）產生，信號是一個字長為27-1 的偽隨機二進制序列。通過長度3 m 多模光纖耦合VCSEL 的光信號。光信號由光電探測器轉換為電信號，然后通過示波器來進行測量。通過參數優化，在3.5 mA 工作電流、1 V 調制電壓下實現了53 Gbit/s的數據傳輸眼圖，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），總抖動為75%（14.15 ps）。6 μm 與9 μm VCSEL 的調制帶寬稍低，傳輸速率則低于3 μm VCSEL，這里不再給出傳輸眼圖。未來我們還將繼續研究利用PAM-4技術來提升該單模940 nm VCSEL 的傳輸速率[26]。

圖5 （a）3 μm VCSEL 53 Gbit/s 數據傳輸速率在室溫（25 ℃）下的眼圖；（b）3 μm VCSEL 53 Gbit/s 數據傳輸速率在室溫（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 論

本文制備了氧化孔徑不同的940 nm VCSEL，并在3，6，9 μm VCSEL 中分別實現了單模、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，調制帶寬逐漸降低，最高的傳輸速率在3 μm VCSEL 上 獲 得。當3 μm VCSEL 工 作 在3.5 mA調制電流、1 V 調制電壓下時，實現了NRZ 調制下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制帶寬與傳輸速率，但是小孔徑VCSEL 飽和功率較低?？梢酝ㄟ^優化外延結構、VCSEL 結構、制備工藝等進一步提高單模VCSEL 的功率、帶寬以及傳輸速率。

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