扩展高速VCSEL的应用范围

包含双孔径的单模氧化物VCSEL可以在1公里链路上以近100 Gbit/s的速度传输数据

Haonan Wu¹, Dufei Wu¹, Milton Feng¹和Xin Yu²

¹伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校、²鸿腾精密科技

如今，VCSEL最为人所知的可能是它作为智能手机中的接近传感器的广泛应用。但其首个大批量市场是数据通信，该领域持续为许多此类激光器制造商提供大量销售。

二十多年来，超低功耗、氧化局限制VCSEL使用氧化物孔径来限制发射，为数据中心的短距离光学互连提供了一种经济高效且可扩展的解决方案。这些器件支持不超过100 m左右的链路，将低功耗与紧凑的外形尺寸和高速数据传输结合在一起。其特性有助于数据中心网络高效运行。

可惜的是，传统的多模氧化物VCSEL无法部署在更长的光纤上传输数据。由于多模光纤中的差模延迟和色散，发射的多模性质使得该器件不适合数百米或更远距离的光学数据传输。例如，需要在这样的距离上进行传输，以将一个集线器连接到另一个集线器。

扩展传输的一种选择是转向单模VCSEL。瑞典查尔姆斯理工大学的一个团队利用这种方法，报告了链路长度长达2公里的20 Gbit/s不归零数据传输。然而，该团队实现单模发射的方法涉及缩小氧化物孔径。但也有缺点，包括可靠性受损以及高调制带宽下激光器工作电流受到热限制。

显而易见的是，开发高性能、单模VCSEL十分必要，因为它们是削减新兴技术成本的关键因素，例如5G，其中高速和低延迟数据传输对于无线回传和前传连接至关重要。这方面的成功还将创造出具有与标准单模光纤兼容的圆形光束轮廓的光源。这种互操作性简化了单模VCSEL与现有长距离光通信网络的集成，使其成为网络升级和扩展的实用且经济高效的选择。

新型设计

在这方面开辟新天地的是一种带有创新集成模式选择滤波器的VCSEL形式，该设计由我们公司与伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校合作首创，并由鸿腾精密科技公司赞助。

在制造方面，我们的设计与传统VCSEL的设计之间的主要区别在于，我们的设计需要两步氧化工艺来形成顶部和底部氧化物孔径（见图1，它提供了器件的横截面图）。除此之外，我们的设计与传统氧化物-VCSEL类似——它具有半波长腔，p掺杂分布式布拉格反射镜台阶、电流/光学限制氧化物层和接触金属。

△ 图1. 所制造的单模VCSEL的集成模式选择滤波器（IMSF）台阶结构和底部氧化物孔径的横截面图。单横向模工作是通过优化顶部和底部的孔径比以及IMSF高度来实现的。扫描电子显微镜图像是由聚焦离子束切片制成的器件。

为了创建顶部氧化物孔径，我们氧化了分布式布拉格反射镜中的多个p型配对。随后形成集成模式选择滤波器台阶，其直径约为6 mm，并通过使用反应离子和感应耦合等离子体的校准氯基干法蚀刻来定义。通过微调干法刻蚀气体的成分、调节等离子体压力、优化反应离子刻蚀与电感耦合等离子体功率的比例，实现了对台阶侧壁的精确控制。这使我们能够生产出相对于p型分布式布拉格反射镜台阶保持90度方向的光滑侧壁。请注意，由于难以控制该台阶的氧化速率，因此必须进行精确的干蚀刻工艺控制，因为这是定义顶部氧化物孔径尺寸的关键。整个样品高良率的另一个关键是准确控制顶部和底部氧化物孔径比。

由于我们的新型VCSEL中独特的台阶结构，该设计有利于基本模式的激光条件（或LP01模式，如果我们将VCSEL腔调为近似圆柱形波导）。在弱导纤芯/包层波导中，基模峰值出现在波导的中心，而高阶模集中在外围附近。因此，小顶部孔径降低了高阶模的品质因数，从而改变模态特性并确保仅支持基模。

△ 用于长距离光纤数据传输测量的VCSEL自由空间光耦合装置。

我们使用带有球透镜的光纤耦合，在室温下对我们的集成模式选择滤波器VCSEL进行了直流表征（典型的测量光谱见图2）。我们发现，激光器在8mA电流下的光纤耦合光功率范围为1.3mW至1.6mW，所有被测器件的阈值电流范围为0.8mA至1.0mA。我们表征的所有VCSEL均表现出单模工作，基模波长接近852nm，并且在8mA时单模抑制比超过34dB，满足IEEE 802.3标准的规范。

△ 图2. 测得的单模VCSEL光谱。边模抑制比超过34dB。

为了评估一种器件与另一种器件之间的差异，我们绘制了以8 mA驱动的单模VCSEL，考虑1.2 cm×1.2 cm样品上的单象限（见图3 (a)，其中包括此图上的绿色标签，代表那些经过严格检查的器件）。令人激动的是，我们发现所有器件均在热翻转时表现出单模工作。

△ 图3. (a) 1.2×1.2 cm²样品上一个象限的单模VCSEL测试图。所有测试的VCSEL都标记为绿色，显示单模工作，边模抑制比超过34 dB。红点标记的单模VCSEL正在测试DC和PAM-4数据传输。(b) 被测单模VCSEL的扫描电子显微镜顶视图图像，清晰显示了集成模式选择滤波器台阶结构、顶部p接触点以及高速VCSEL布局中使用的共面波导红点显示晶圆图上的器件位置。

我们在不同条件下对这些器件进行了严格测试，从室温到70℃，使用从背对背到2公里的光纤线轴长度。值得注意的是，在整个检测过程中，我们没有发现任何光功率下降的迹象或激光阈值的任何变化。

加快速度

早在2021年，我们就使用了第一代新型VCSEL，在1公里单模光纤上实现了38 Gbit/s创纪录的速度性能，使用不归零配置实现无差错光学数据传输。为了实现更高的速度，基于我们器件的单模输出，我们可以切换到先进的调制方案。

一种常见的高级调制方案是脉冲幅度调制-4。由于云服务和数据中心的快速扩张，这种形式的调制已在IEEE标准802.3中针对400 Gbit/s以太网进行了标准化。去年，我们利用脉冲幅度调制-4实现了室温下1公里光纤上96 Gbit/s的数据传输。

我们使用这种形式的调制测量了室温眼图，这种形式的数据速率高达108 Gbit/s（详情请参见图4）。

△ 图4. 采用标准4抽头前馈均衡器的单模VCSEL PAM-4眼图，速率为(a) 108 Gbit/s (300 m SMF-28)和(b) 96 Gbit/s (1 km SMF-28)。通过SHF BT65R偏置器向被测器件提供7 mA直流电流，并直接通过灰编码PRBS13 (PRBS13Q)数据模式进行调制，它由Keysight 120 GSa/s M8194A任意波形发生器生成。所有眼图均未平均，发射机色散眼图闭合正交(TDECQ)值是根据PRBS13Q模式计算的。TDECQ值的计算假设目标符号错误率为4.8×10^-4。

考虑到与碳足迹相关的问题，另一个关键指标是每比特的能源消耗。对于330 m和1 km链路，计算结果分别为每比特175.1 fJ和每比特196.9 fJ。

我们的直接调制单模VCSEL的性能非常有前景，能够在光纤通信中发挥重要作用，是引人注目的备选者，尤其是在生产可扩展性、低制造成本、高速和长距离至关重要的场景中。其拥有性能优势和低成本的特点，是数据中心400 GBase-DR4光链路部署的有力竞争者。我们将继续完善它们的特性，努力优化器件拓扑，因此，这将确保更高的可靠性和固有器件带宽，数据速率超过每通道120 Gbit/s。

• 感谢CNICE对由UIUC杰出校友Sidney Lu先生领导的领先互连公司鸿腾精密科技单模VCSEL研究项目的赞助。还要感谢Mike Gerhold博士对No. W911NF-22-1-0046项目下微腔激光设计和PAM-4测试的ARO支持。

扩展阅读

• R. Safaisini et al. “20 Gbit/s data transmission over 2 km multimode fibre using 850 nm mode filter VCSEL,” Electron Lett. 50 40 (2014)

• J. Qiu et al. “Advanced Single-Mode 850 nm VCSELs for Record NRZ and PAM-4 Data Rate on SMF-28 Fiber up to 1 km,” in Optical Fiber Communication Conference, 2021

• M. Feng et al. “Related U.S. Application Data (60) Provisional application No. 62 / 744,” 2017

• J. Qiu et al. “85℃ Operation of Single-Mode 850 nm VCSELs for High Speed Error-Free Transmission up to 1 km in OM4 Fiber,” in Optical Fiber Communication Conference, 2019

• J. Qiu et al. “50 Gb/s VCSELs with an Integrated Mode-selected Filter for Extending OM4 Transmission up to 1 km and 70 ℃ ,” in Optical Fiber Communication Conference

• D. Wu et al. “Single-mode 850nm VCSELs Demonstrate 96 Gb/s PAM-4 OM4 Fiber Link for Extended Reach to 1km,” in Optical Fiber Communication Conference, 2022