近日，中國激光雜志社報道了長光華芯在國際光學(xué)領(lǐng)域頭部期刊上的一項最新成果。

Photonics Research 2024年第9期文章：

Yao Xiao, Pei Miao, Jun Wang, Heng Liu, Yudan Gou, Zhicheng Zhang, Bangguo Wang, Wuling Liu, Qijie Wang, Guoliang Deng, Shouhuan Zhou, "Twenty-milliwatt, high-power, high-efficiency, single-mode, multi-junction vertical-cavity surface-emitting lasers using surface microstructures," Photonics Res. 12, 1899 (2024)

研究背景? ?

隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，高速數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為支撐人工智能、大數(shù)據(jù)分析、云計算和5G網(wǎng)絡(luò)等前沿技術(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。目前數(shù)據(jù)中心大量使用多模垂直腔面發(fā)射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL）作為短距離高速光通信的核心技術(shù)，這是因為多模VCSEL具有成本低、能耗小等優(yōu)點，適用于高密度的光互連。然而，隨著更高數(shù)據(jù)速率（超過100 Gbps）的需求不斷提升，多模VCSEL因模式色散、帶寬限制和信號噪聲等劣勢難以滿足要求?，F(xiàn)有的方法在單模的模式增益體積擴展和表面微結(jié)構(gòu)對橫向模式的控制能力方面面臨挑戰(zhàn)，限制了單橫模VCSEL功率和效率的突破。單模VCSEL的發(fā)展歷程如表1所示，從表中可以看出，自2006年以來，單模VCSEL的功率發(fā)展比較緩慢，一直維持在10 mW左右，且電光轉(zhuǎn)換效率也比較低。

表1 單模VCSEL的發(fā)展歷程

近年來在高速通信領(lǐng)域，隨著PAM4+調(diào)制方案的采用，功率的重要性愈發(fā)凸顯；人工智能技術(shù)的快速發(fā)展導(dǎo)致數(shù)據(jù)吞吐量大幅增加，使得器件能耗問題也成為關(guān)鍵關(guān)注點。因此，研究具有低成本、高功率、高效率、低發(fā)散角等特點的單模VCSEL對推動高速光通信的發(fā)展具有至關(guān)重要的意義。

研究亮點? ?

針對以上問題，四川大學(xué)電子信息學(xué)院及蘇州長光華芯光電技術(shù)股份有限公司王俊教授研究團隊提出了一種基于多結(jié)VCSEL擴展縱向增益以提升單模VCSEL功率的方法，并構(gòu)建了多結(jié)VCSEL的模式分析模型，解決了單模功率難以突破10 mW左右水平的難題，在直流驅(qū)動下實現(xiàn)了20.2 mW的單基橫模激光輸出，功率轉(zhuǎn)換效率達42%，發(fā)散角為9.8° (1/e2)和5.1° (FWHM)。這是迄今為止單顆VCSEL的最高單模功率，其功率值接近現(xiàn)有單模功率記錄的兩倍。這項研究將為高功率、高效率單模半導(dǎo)體激光器的進一步開發(fā)和應(yīng)用提供創(chuàng)新方案，并對“綠色”高速光通信的發(fā)展具有重要的推動作用。相關(guān)研究成果以“Twenty-milliwatt, high-power, high-efficiency, single-mode, multi-junction vertical-cavity surface-emitting lasers using surface microstructures”為題，發(fā)表于Photonics Research 2024年第9期。

首先，該工作在保持低閾值的工作條件下，對比了低反射率輸出鏡的多結(jié)VCSEL和高反射率輸出鏡單結(jié)VCSEL的表面相位層厚度變化對反射率的調(diào)控能力。如圖1所示，模擬實驗結(jié)果表明9對p-DBR多結(jié)VCSEL設(shè)計的反射率變化高達20%，其表面結(jié)構(gòu)調(diào)制能力遠大于傳統(tǒng)單結(jié)VCSEL設(shè)計。

圖1 (a) 6結(jié)VCSEL示意圖；(b) 單結(jié)VCSEL的p-DBR示意圖；(c) 多結(jié)VCSEL的p-DBR示意圖；(d) 不同DBR對數(shù)下輸出鏡反射率與表面相位層Si3N4厚度的關(guān)系

接著，該工作基于前期構(gòu)建的實現(xiàn)了超高效率突破的多結(jié)VCSEL模型（Light Sci Appl 13, 60, 2024)，分析了基于表面相位層厚度的單結(jié)與多結(jié)VCSEL的閾值增益變化，以及基于單結(jié)單模VCSEL現(xiàn)有水平的多結(jié)VCSEL效率擴展特性。如圖2所示，結(jié)果表明，隨著表面Si3N4厚度的變化，反射率變化幅度的不同會導(dǎo)致兩類VCSEL的最大閾值增益存在明顯差異，其中多結(jié)VCSEL的最大閾值增益約為單結(jié)VCSEL的2倍。實現(xiàn)單模VCSEL的核心思路是增大高階模與單模的閾值增益差值，從而使得在一定工作條件范圍內(nèi)保持單模工作，但目前大部分方法基于各種表面微結(jié)構(gòu)，使得模場分布集中在發(fā)光孔徑外側(cè)的高階模具有更大的損耗。因此，該工作首次揭示了多結(jié)VCSEL在保持低閾值工作的同時能夠增強表面微結(jié)構(gòu)對高階模式的調(diào)制能力，提出的方法能夠顯著增加高階模式與基模之間的閾值增益差異，從而在更大的范圍實現(xiàn)高階模。多結(jié)VCSEL的擴展特性模擬實驗表明高功率單模VCSEL的效率有望超過60%。

圖2 19對p-DBR單結(jié)和9對p-DBR 6結(jié)VCSEL，(a) 表面Si3N4光學(xué)厚度與閾值增益的關(guān)系；(b) 多結(jié)VCSEL功率轉(zhuǎn)換效率擴展特性

隨后，該團隊制備了不同尺寸的表面浮雕結(jié)構(gòu)的6結(jié)VCSEL樣品并進行了光電特性表征，結(jié)果如圖3所示。6結(jié)VCSEL在連續(xù)電流驅(qū)動下實現(xiàn)了20.2 mW的激光輸出功率，邊模抑制比大于35 dB，對應(yīng)的電光轉(zhuǎn)換效率為42%，發(fā)散角為9.8°。近場光斑表明其為單基模激光工作模式。據(jù)團隊研究人員所知，在室溫連續(xù)工作的條件下，這是迄今為止單個VCSEL的最高單模功率，且功率值幾乎是已知記錄的兩倍。此外，該方法只需在VCSEL的表面進行簡單的微米級氮化硅刻蝕，無需特殊光刻工藝和復(fù)雜的工藝流程，保障了單模VCSEL的高可靠性和低成本優(yōu)勢。

圖3 (a) L-I-V曲線；(b) SR=1 μm時不同電流下的光譜圖；(c) 20.5 mW時的近場圖；(d) 20.5 mW時的遠場光斑圖；(e) 20.5 mW時的遠場發(fā)散角

總結(jié)與展望? ?

綜上，該團隊提出了一種可實現(xiàn)高功率、高效率、強高階模抑制能力、低發(fā)散角、低成本VCSEL的方法，基于該方法可擴展到VCSEL的各類通信波段，為實現(xiàn)高性能單模VCSEL提供了思路和有價值的參考，為未來高速光通信的發(fā)展開辟了一條全新的技術(shù)路線，在實現(xiàn)高速光通信方向具有極大的潛力。這里必須強調(diào)的是單模VCSEL的研究大多聚焦于直流驅(qū)動下的功率提升，這對于實際應(yīng)用才具有重要的價值。

該論文的第一作者為四川大學(xué)、南洋理工大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生肖垚，通訊作者為四川大學(xué)教授、蘇州長光華芯光電技術(shù)股份有限公司副董事長、首席技術(shù)官王俊教授。

（轉(zhuǎn)自：長光華芯）

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