随着人工智能技术的快速发展,高速数据中心已经成为支撑人工智能、大数据分析、云计算和5G网络等前沿技术的关键基础设施.目前数据中心大量使用多模垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,VCSEL）作为短距离高速光通信的核心技术,这是因为多模VCSEL具有成本低、能耗小等优点,适用于高密度的光互连.然而,随着更高数据速率（超过100 Gbps）的需求不断提升,多模VCSEL因模式色散、带宽限制和信号噪声等劣势难以满足要求.现有的方法在单模的模式增益体积扩展和表面微结构对横向模式的控制能力方面面临挑战,这限制了单横模VCSEL功率和效率的突破.单模VCSEL的发展历程如表1所示,从表中可以看出,自2006年以来,单模VCSEL的功率发展比较缓慢,一直维持在10 mW左右,且电光转换效率也比较低。
表1 单模VCSEL的发展历程
近年来在高速通信领域,随着PAM4+调制方案的采用,功率的重要性愈发凸显；人工智能技术的快速发展导致数据吞吐量大幅增加,使得器件能耗问题也成为关键关注点.因此,研究具有低成本、高功率、高效率、低发散角等特点的单模VCSEL对推动高速光通信的发展具有至关重要的意义。
研究亮点
针对以上问题,四川大学电子信息学院及苏州长光华芯光电技术股份有限公司王俊教授研究团队提出了一种基于多结VCSEL扩展纵向增益以提升单模VCSEL功率的方法,并构建了多结VCSEL的模式分析模型,解决了单模功率难以突破10 mW左右水平的难题,在直流驱动下实现了20.2 mW的单基横模激光输出,功率转换效率达42%,发散角为9.8° (1/e2)和5.1° (FWHM).这是迄今为止单颗VCSEL的最高单模功率,其功率值接近现有单模功率记录的两倍.这项研究将为高功率、高效率单模半导体激光器的进一步开发和应用提供创新方案,并对"绿色"高速光通信的发展具有重要的推动作用。
首先,该工作在保持低阈值的工作条件下,对比了低反射率输出镜的多结VCSEL和高反射率输出镜单结VCSEL的表面相位层厚度变化对反射率的调控能力.如图1所示,模拟实验结果表明9对p-DBR多结VCSEL设计的反射率变化高达20%,其表面结构调制能力远大于传统单结VCSEL设计。
图1 (a) 6结VCSEL示意图；(b) 单结VCSEL的p-DBR示意图；(c) 多结VCSEL的p-DBR示意图；(d) 不同DBR对数下输出镜反射率与表面相位层Si3N4厚度的关系
接着,该工作基于前期构建的实现了超高效率突破的多结VCSEL模型（Light Sci Appl 13, 60, 2024),分析了基于表面相位层厚度的单结与多结VCSEL的阈值增益变化,以及基于单结单模VCSEL现有水平的多结VCSEL效率扩展特性.如图2所示,结果表明,随着表面Si3N4厚度的变化,反射率变化幅度的不同会导致两类VCSEL的最大阈值增益存在明显差异,其中多结VCSEL的最大阈值增益约为单结VCSEL的2倍.实现单模VCSEL的核心思路是增大高阶模与单模的阈值增益差值,从而使得在一定工作条件范围内保持单模工作,但目前大部分方法基于各种表面微结构,使得模场分布集中在发光孔径外侧的高阶模具有更大的损耗.因此,该工作首次揭示了多结VCSEL在保持低阈值工作的同时能够增强表面微结构对高阶模式的调制能力,提出的方法能够显著增加高阶模式与基模之间的阈值增益差异,从而在更大的范围实现高阶模.多结VCSEL的扩展特性模拟实验表明高功率单模VCSEL的效率有望超过60%。
图2 19对p-DBR单结和9对p-DBR 6结VCSEL,(a) 表面Si3N4光学厚度与阈值增益的关系；(b) 多结VCSEL功率转换效率扩展特性
随后,该团队制备了不同尺寸的表面浮雕结构的6结VCSEL样品并进行了光电特性表征,结果如图3所示.6结VCSEL在连续电流驱动下实现了20.2 mW的激光输出功率,边模抑制比大于35 dB,对应的电光转换效率为42%,发散角为9.8°.近场光斑表明其为单基模激光工作模式.据团队研究人员所知,在室温连续工作的条件下,这是迄今为止单个VCSEL的最高单模功率,且功率值几乎是已知记录的两倍.此外,该方法只需在VCSEL的表面进行简单的微米级氮化硅蚀,无需特殊光刻工艺和复杂的工艺流程,保障了单模VCSEL的高可靠性和低成本优势。
图3 (a) L-I-V曲线；(b) SR=1 μm时不同电流下的光谱图；(c) 20.5 mW时的近场图；(d) 20.5 mW时的远场光斑图；(e) 20.5 mW时的远场发散角
综上,该团队提出了一种可实现高功率、高效率、强高阶模抑制能力、低发散角、低成本VCSEL的方法,基于该方法可扩展到VCSEL的各类通信波段,为实现高性能单模VCSEL提供了思路和有价值的参考,为未来高速光通信的发展开辟了一条全新的技术路线,在实现高速光通信方向具有极大的潜力.这里必须强调的是单模VCSEL的研究大多聚焦于直流驱动下的功率提升,这对于实际应用才具有重要的价值。
