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复旦大学信息科学与工程学院迟楠团队在可见光通信蓝光激光mini-LD芯片方面取得突破性进展

2024/6/3 9:21:14      材料来源:复旦大学信息科学与工程学院

近期复旦大学信息科学与工程学院迟楠团队联合鹏城实验室余少华院士与沙特阿卜杜拉国王科技大学Boon Ooi教授,在可见光通信关键光源器件研究方面取得了突破性进展,利用极性面氮化镓(GaN)材料设计研制了一种具有大带宽的窄脊短腔激光器(mini-LD),将高速光源的带宽从1 GHz左右提升到5.9 GHz,实现单一芯片支持通信速率超过20 Gbps。这一成果为高效能可见光通信系统和短波长光子集成提供了核心器件,该研究工作以《具有超过5GHz调制带宽的高速氮化镓基半导体激光器实现20Gbps可见光通信》(High-speed GaN-based laser diode with modulation bandwidth exceeding 5 GHz for 20 Gbps visible light communication)为题发表在《光子学研究》(Photonics Research)上。

无线通信中的频段资源已经十分紧张,在6G复杂的通信环境下传统的无线通信也难以达到全面的高速覆盖。可见光通信(Visible Light Communication, VLC)作为一种无须授权频段的高速通信技术,近年来受到广泛关注,在工业物联网、车联网、AR/VR、电磁敏感区无线通信、低轨卫星通信、水下无线光通信等领域展现出广阔的应用前景。VLC作为一种无线光通信技术,它通过对光源(如LED、LD)进行强度调制来传递信息,因此光源器件的带宽直接制约了可见光通信系统的性能。蓝光激光器是高速可见光通信系统的核心器件之一,由于材料体系和器件结构不同,基于GaN的短波长激光器带宽目前仅有约1 GHz,难以满足未来高速通信的需求。

为了解决这一难题,迟楠教授团队从激光器带宽限制因素的物理机制出发,深入研究了InGaN/GaN量子肼结构有源区设计方法与带宽调控机制。对于氮化物量子阱与量子垒厚度,层数等对于激光器调制响应进行了研究,建立了器件仿真模型并进行了数值模拟分析。研究团队针对短波长激光器芯片的尺寸微缩技术开展研究,提出了大带宽蓝光激光芯片的设计思路,成功制备了脊状波导宽度1.8 μm,谐振腔长500 μm的高速亚毫米蓝光激光器(mini-LD)。通过有源区的优化设计与尺寸微缩,不仅保证了激光芯片具有优异的电光转换特性,同时大大提升了激光器的调制带宽。

图1 高速蓝光Mini-LD芯片的(a)结构设计;(b)激射光斑照片;(c)光学显微镜照片。

图1(a)显示了设计的蓝光mini-LD芯片结构示意图,图中对芯片有源区结构进行了标识。这一芯片是在常用的极性面衬底上制备的,与昂贵的半极性面衬底相比,这一技术更适合未来的量产。图1 (b) 是制备的激光芯片在实验室测试时的激射光斑,(c)图是光学显微镜下观察研制的mini-LD芯片,可看到表面光滑平整,两侧的谐振腔面平行度高,测量可知谐振腔腔长为500 μm。

图2 蓝光激光器的电致发光光谱,发光波长为451 nm。

团队研制的mini-LD具有较低的阈值电流(31 mA)和较高的斜率效率(1.02 W/A)。激光器的光谱如图2所示,激光器的激射波长为451nm。在所施加的电流范围内,激光器的峰值波长几乎不随偏置电流发生变化,表现出较为稳定的输出特性。

图3 激光器芯片本征频率响应特性

图3显示了激光器的调制响应特性,140mA的偏置电流下,激光器的-3dB带宽超过了5.9GHz,远超Osram、Nichia等蓝光激光器的调制带宽。利用该高速mini-LD芯片作为光源,研究团队搭建了可见光通信测试系统,开展了数据传输性能测试。采用离散多音频调制结合比特加载技术,实现通信速率20.06 Gbps,误码率符合FEC门限。该研究结果对于未来高速可见光激光阵列通信在低轨卫星通信以及大容量可见光互联等应用具有重要意义。

复旦大学信息科学与工程学院的博士研究生王军飞为本文的第一作者,迟楠教授团队青年教师沈超等为本文通信作者。该工作得到了重点研发计划、国家自然科学基金、上海市自然科学基金、中国移动研究院与中关村泛联移动通信技术创新研究院等的支持。该合作研究也得到了复旦大学国际合作与交流处“双一流”全球发展战略推进项目的支持。

链接:http://dx.doi.org/10.1364/PRJ.516829

 

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