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一种新型的设计方法，可将VCSEL的调制速度提高至5倍以上
2020/12/9 19:47:16 材料来源：激光世界
垂直腔表面发射激光器（VCSEL）是一种出光方向垂直与谐振腔表面的f-p激光器。垂直腔表面发射激光器的优越性已经引起广泛关注，十几年来，在结构、材料、波长和应用领域都得到了飞速的发展，并以可观的成本效益和可靠性成功进入众多科技领域，如手机摄像头、鼠标、传感器以及数据中心和超级计算机中告诉光学互连的主要设备等。
但是，由于非线性光学放大效应（又称为：增益弛豫振荡），VCSEL的调制速度都无法超过30GHz，导致其时间带宽较小，从而极大限制了它的实用性。
为了提高其调制速度，美国乔治华盛顿大学（GeorgeWashingtonUniversity，GWU）的研究人员提出了一种新型的设计方法，该方法可以将调制速度提高到45GHz，同时也开辟一系列潜在的新型应用领域。
对于传统的VCSEL来说，其速度的限制是由于热效应、寄生电阻、电容以及非线性增益效应（如张弛震荡）产生的，在当时的解决方法一般是通过在VCSEL腔中添加多个横向耦合腔来增加时间带宽。而在新型设计方法中，研究人员选择六边形设计并将六个外腔都与主腔相连以增加其激光孔径，如图1所示。
图1新型VCSEL设计示意图
该设计不仅促进了空腔之间的绝热光能共享，还能通过在选择性增益和调制功能之间建立空间分割，以在单模操作中同时实现高速和高功率的功能。这种设计可以保证在半导体激光器高输出功率的同时，从根本上将其调制速度提高至5倍以上。
这种设计方法不仅提高了VCSEL的调制速度，更是开辟了众多潜在的应用领域：高速光通信、先进传感器、自动驾驶和光子AI系统等前沿领域；视频会议、人脸识别和娱乐媒体等消费领域。
另外，在VCSEL保证高调制速度的同时还可以加载更多的数据，因此可以与传感器融合实现图像的三维深度探测，也可以应用于未来6G网络中，尤其是那些依赖于高速数据传输的短跳信令、安全网络加密以及量子计算等应用中。
最后，相关研究人员Sorger和Dalir还表示，这种设计虽然采用了六角形腔体的设计方法，但采用的制造工艺与传统工艺相同，并不会增加器件的成本和空间，并且他们还是Optelligence的联合创始人，未来将进一步开发和商业化其新型的VCSEL技术。
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