新型VCSEL加速光网络

具有氧化物限制孔径的VCSEL阵列可以将数据传输率提高到400Gbit/s或更高，并创建出单一、强大的相干光源

 

作者：Nikoloay Ledentsov 来自VI SYSTEMS

 

缩小的硅晶体管带来了机遇和挑战。从好的方面看，缩小的尺寸可以使更多的晶体管封装到集成电路中，而不会增加成本，从而提高计算能力。然而，成功可能取决于引入新的器件架构，以防止漏电电流失控，以及更快的电气互连--大约每两年，它们的速度就需要翻一番。

 

如今，100 Gbit/s的车载信号正处于标准化的最后阶段，而200 Gbit/s接口的标准化已经由IEEE 802.3df 200Gbit/s、400Gbit/s、800Gbit/s和1.6Tbit/s以太网工作组启动。请注意，实现数据传输率的任何提高都不是小事，其影响包括功耗和电气互连串扰的增加。为了避免这些问题，历史上铜链路的长度每十年就会缩减约四倍。

 

另一种解决数据传输问题的方法是从电气领域转移到光学领域。这方面的努力已经在顺利进行中，光互连在数据通信系统中扮演着越来越重要的角色，如数据中心、企业网络和超级计算机。对于100米或更短的距离，VCSEL现在是首选光源，部署在多模式光纤链路中，可将成本和能耗降至最低。

 

纵观VCSEL的历史，通常的操作方法是直接调制。在这种方式的驱动下，数据速率的增加要求增加固有的调制带宽，其特征是谐振振荡频率。由于谐振振荡频率随着电流密度的平方根而增加，假设VCSEL的设计和增益介质相同，电流密度需要提高四倍才能使谐振振荡频率翻倍。然而，如果采用这种增加电流密度的方法，就会缩短器件的使用寿命，并引入热翻转效应。因此，从多模式光纤链路的第一个光源LED开始，带宽的每一个里程碑都因为引入一种新型发光器件的设计。

 

加速 VCSEL的发展

十多年前，我们的团队成员发表了一项专利，详细介绍了使用反波导 VCSEL 架构来提高这种激光器的调制速率。由于这一修改，信号速率能够从 10 Gbaud（在开-关编码的情况下是10 Gbits/s）上升到 50 Gbaud，在 4 级脉冲幅度调制中需要100 Gbit/s。我们的反波导设计抑制了光在横向的传播，同时增强了 VCSEL 转换的振荡器强度。

 

当我们引入这种架构时，我们可以在合适可靠的 VCSEL 操作的电流密度下实现 30 GHz 的典型带宽。使用这种设计，我们为 100 Gbit/s 链路奠定了基础，它现在是下一代光互连的基础。事实表明，通过转换为离散的多音调制格式，这种 VCSEL 甚至可以提供每通道 224 Gbit/s 的数据传输速率。

 

就其本身而言，数据速率的大幅提高带来的好处有限。要真正有用，它必须维护传输

多模光纤上的距离，同时增加VCSEL 的平均功率，这样每个脉冲的功率才不会降低。通过确保后者，光源将匹配带宽缩放接收器电路的灵敏度。

 

标准多模 VCSEL 的关键特性之一是其相对较大的光谱宽度，通常约为 0.6 nm。这个高值会导致玻璃中的色散对脉冲宽度产生重大影响，从而限制了多模光纤上的传输距离。在数据速率为100 Gbit/s 时，一旦光纤链路达到或者超过100 m，这种脉冲展宽尤其是一个问题。要在这个距离上传输更高的数据速率，或者将这些光纤链路延长到一公里或更长，需要将 VCSEL 的光谱宽度缩小到 0.1 nm 或更小。我们在多模光纤方面取得了一些成功，使用的是带有小氧化物限制孔径的单模 VCSEL。我们的成功包括使用 PAM4 调制格式，在 1 km范围内实现 100 Gbit/s 的数据传输，以及在长达 2.2 km的距离内实现 50 Gbit/s 的无回波传输。然而，对于小孔径，在所需的工作温度范围内产生超过2 mW的输出功率是一个挑战，在足够长的工作寿命下，工作温度可延伸到85℃。

 

去年年底，我们发现，现代VCSEL的局限性可以通过从单光源改到具有小的氧化物限制电流孔径的紧凑型微型阵列来克服。这种器件的优点包括窄光谱宽度、高输出功率、低电阻和良好的可靠性（参见图1）。有了这些特性，该光源可以通过在小孔径间距尺寸下，应用光学模式的相干相互作用来提供显著的带宽缩放。

 

使用二维微型孔径阵列的相干发射，在多模光纤上传输数据当然不是什么新想法。早在20世纪90年代末，我们的团队成员之一JörgReinhardt Kropp在英飞凌工作期间就申请了这项技术的专利（美国专利6785476）。

 

几年后，由于氧化物限制VCSEL的普及，Xerox公司的一个团队开发了一种方法，通过VCSEL晶圆上的刻蚀孔来选择性氧化富含AlAs的孔径层，实现制备氧化限制孔径的微型和宏观阵列。帕洛阿尔托研究中心（Palo Alto Research Centre）的研究人员应用同样的技术，通过局部非氧化区域耦合的氧化物限制孔径，也可以用于制造相干耦合阵列。

 

图1. 具有4个氧化物限制孔的单模VCSEL微型阵列的三维图像。横向的芯片尺寸约为200 µm x 200 µm。

 

图2.(a)远场图案和(b)带有4倍孔径微型阵列的VCSEL在10mA驱动电流下的光谱，相当于24kA cm-2的电流密度。

 

最近，我们报道了另一种制造相干VCSEL阵列的方法。我们的技术涉及到相邻的氧化物限制孔之间的光学耦合，通过外延设计（US 10,243,330）或通过表面捕获的光学模式（US 10,666,017）实现的平面内漏发射。

 

这项最新技术的演示包括由四个单模VCSEL孔径组成的微型阵列的远场模式（a）和激光光谱（b）。在10 mA的驱动下，对应的电流密度为24kA cm-2，输出功率为4 mW。该器件产生一个窄远场，半峰宽仅为12°，其光谱显示出准单模特性，边模抑制比约为20 dB。

 

由于该阵列的高亮度，我们在标准OM3光纤中获得了80%的耦合效率。单模孔径的微型阵列和具有较大孔径的多模孔径微型阵列实现了这种效率。使用不归零的眼图，突出了使用我们的VCSEL微型阵列在50 Gbaud的高质量数据传输，并有3抽头前馈均衡（参见图3）。这个器件的固有光调制带宽被定义为30GHz。

 

创建相干光源

 

当孔径间距尺寸小到约12 µm时，这会导致阵列孔径之间的强光泄漏引起的相互作用，并导致所有孔径的相干激光。以这种方式操作会创建一个上层结构，表现出与2D相干发射器阵列的基本模式相关的特征（参见图4，它显示了单个相干光学状态下的微型阵列的远场图像）。

 

通过开发不受外部谐振器和注入锁定的氧化物限制孔径的相干阵列，并且能够在多模光纤上进行长距离的高速数据传输，我们已经为VCSEL实现了一个重要的里程碑。具有这些属性的器件能够有力地提高激光束的亮度，通过应用传统透镜形成贝塞尔光束，或通过衍射透镜允许任意的光束整形来完成。必要时可以实现单模光纤耦合。

 

图3. 50Gbit/s时×4微型阵列的不归零眼图。应用了3抽头前馈均衡。

 

通过额外的孔径形状工程和增加孔径之间的光模式的相互作用，可以显著扩展光源的带宽。当阵列的相干模式和由此产生的光子-光子共振之间的波长分割达到约0.1 nm时，增强的调制带宽接近70 GHz。我们需要朝这个方向努力，以可预测、可控的方式实现这一目标。

 

请注意，在去年的光纤会议上，来自日本的一个团队使用分布式布拉格反射器和膜结构的分布式反馈激光器，演示了110 GHz以上的光调制带宽和256Gbit/s的PAM4数据传输率。这个器件具有工程耦合腔和光子共振。利用光子-光子共振的一大优点是，它可以在低电流密度下实现高调制带宽，从而确保器件的长使用寿命。

 

毫无疑问，基于氧化物限制孔径的紧凑微型阵列的VCSEL技术在提供超过100 Gbit/s的数据速率和提高性能以及为下一代光链路提供光源方面具有很大的前景，最初以每通道200Gbit/s，然后是400Gbit/s，甚至更高速度运行。在高亮度激光雷达和光学无线领域存在相干氧化物限制VCSEL阵列的其他机会，它们将更高的亮度与实际的光束控制相结合。虽然一个VCSEL可以完成这么多，但它们的阵列可以做得更多。

 

图 4. 在 10 mA 的相干单模激光状态下，间距为 12 µm 的 ×4 孔径微型阵列的远场图案。 远场光谱中上部结构的峰间分离为 5°。

 

拓展阅读

 

 N. N. Ledenstov et al. “High Speed VCSEL: Technology and Applications (tutorial),” in Optical Fiber Communication Conference (OFC) 2021, P. Dong et al. eds., OSA Technical Digest (Optical Society of America, 2021), paper Tu1B.1

 

 N. Ledentsov et al. “Novel multi-aperture VCSELs for optical wireless and multimode fiber communication,” 2021 27th International Semiconductor Laser Conference (ISLC), 2021, pp. 1-2, doi: 10.1109/ISLC51662.2021.9615778.

 

 S. Matsuo et al. “Direct Modulation of Membrane Distributed

Reflector Lasers using Optical Feedback,” Tu1B.2 2021 Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC), 2021, pp. 1-4.

 

本专题由以下人员共同撰写：N. N. Ledentsov、O. Yu. Makarov, N. Ledentsov Jr., M. Bou Sanayeh, L. chrochos, V.A. Shchukin, V.P. Kalosha, I.E. Titkov, G. Schaefer 和 J.-R. Kropp（VI-Systems 公司）。

 

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