【儀表網 研發(fā)快訊】近日，基礎與前沿研究院巫江教授、任翱博研究員團隊在信息領域中國科技期刊卓越行動計劃高起點新刊《Information & Functional Materials》和光學領域國際知名期刊《Optics Letters》上連續(xù)發(fā)表面向光互聯(lián)的高功率高速單模1064 nm VCSEL激光光源研究成果。博士生張旭昊和碩士生王藝樺分別為論文第一作者，電子科技大學為第一完成單位。
在高算力數(shù)據中心、空間光通信與AI芯片光互聯(lián)等應用中，激光光源不僅需要高速度，還必須具備高功率、高光束質量和低功耗的特性。垂直腔面發(fā)射激光器 (VCSEL) 因具備低功耗、高帶寬和優(yōu)異光束質量等優(yōu)點，已成為其關鍵器件。
論文一：High‐fundamental‐mode output of 1064nm vertical‐cavity surface‐emitting laser using double embedded anti-resonant oxide islands
目前VCSEL架構方案往往面臨功率與帶寬不可兼得的困境：提升功率往往導致多模運行、影響遠距離傳輸質量；追求單模則會限制輸出功率與調制帶寬，難以滿足高速互聯(lián)需求。針對上述瓶頸，團隊提出了一種新型VCSEL結構，通過在頂部分布式布拉格反射鏡中嵌入兩個尺寸不同的氧化物島，該設計通過增強模式鑒別能力，在較大孔徑下仍能維持穩(wěn)定的單模激射，大幅提升了激光器的輸出功率與調制帶寬，為AI芯片、空間光通信、數(shù)據中心等應用提供解決方案。
圖1：雙嵌入氧化物島VCSEL架構示意圖
該VCSEL采用雙結有源區(qū)設計，通過隧道結進行級聯(lián)提升功率輸出。氧化物島的引入形成了反諧振波導效應。低折射率的氧化物區(qū)域與周圍高折射率材料構成徑向折射率差，不同橫模在該結構中的泄漏損耗差異顯著。通過優(yōu)化氧化物島的位置、尺寸和厚度，綜合考慮器件模式控制能力、閾值電流和轉換效率，實現(xiàn)了基模與高階模之間閾值電流的最大化差異。與當前先進設計相比，該結構在1064 nm波長下可實現(xiàn)36.2 mW的單模輸出功率，同時邊模抑制比大于 30 dB，實現(xiàn)54.8% 的功率轉換效率，以及33.06 GHz的3-dB帶寬。綜合性能顯著優(yōu)于現(xiàn)有方案，進一步推動了自由空間、數(shù)據中心等復雜場景的大容量光通信中VCSEL的發(fā)展。
圖2：雙氧化物島嵌入式VCSEL激光器的綜合性能表現(xiàn)
論文二：High-bandwidth 1060 nm VCSEL design with hybrid buried tunnel junction and oxide confinement
隨著人工智能大模型工作負載和GPU集群規(guī)模的攀升，數(shù)據中心內的數(shù)據互聯(lián)需求激增。基于VCSEL的技術的近封裝光學(NPO)和共封光學(CPO)，因其在短距離“Scale Up”光鏈路中的優(yōu)越帶寬和損耗，正逐漸取代高端銅互連技術。開發(fā)同時支持高調制率、低功耗VCSEL是另一個關鍵目標。
鑒于此，團隊針對短腔1060nm VCSEL架構，提出了復合約束架構，結合掩埋隧道結(BTJ)和氧化層孔徑，共同管理器件自熱效應、載流子注入選擇性和器件寄生電容。采用8nm反偏結偏移增加了反向偏置耗盡寬度，降低凈器件電容，同時保持單模所需的駐波重疊該研究的設計在8mA驅動電流下實現(xiàn)37.2 GHz的小信號調制帶寬，顯示出優(yōu)異的高速性能和良好的能效比。
圖3：基于氧化孔徑和掩埋隧道結的復合約束VCSEL架構
圖4：器件直流偏置寄生電容及其電光頻率響應性能
本系列研究在不犧牲光束質量和帶寬的前提下，顯著提升了單模輸出功率和效率，為高速、遠距、高可靠光傳輸系統(tǒng)提供了潛力巨大的光源解決方案。研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金等項目支持，同時得到了電子薄膜與集成器件全國重點實驗室、墨子實驗室的支持。
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