【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，基礎(chǔ)與前沿研究院巫江教授、任翱博研究員團隊在信息領(lǐng)域中國科技期刊卓越行動計劃高起點新刊《Information & Functional Materials》和光學(xué)領(lǐng)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(xué)為第一完成單位。
 

　　在高算力數(shù)據(jù)中心、空間光通信與AI芯片光互聯(lián)等應(yīng)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(zhì)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(zhì)量等優(yōu)點，已成為其關(guān)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(gòu)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(dǎo)致多模運行、影響遠距離傳輸質(zhì)量；追求單模則會限制輸出功率與調(diào)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(jié)構(gòu)，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(shè)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(diào)制帶寬，為AI芯片、空間光通信、數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用提供解決方案。
 

圖1：雙嵌入氧化物島VCSEL架構(gòu)示意圖
 

　　該VCSEL采用雙結(jié)有源區(qū)設(shè)計，通過隧道結(jié)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(dǎo)效應(yīng)。低折射率的氧化物區(qū)域與周圍高折射率材料構(gòu)成徑向折射率差，不同橫模在該結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(dāng)前先進設(shè)計相比，該結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(jù)中心等復(fù)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(jù)中心內(nèi)的數(shù)據(jù)互聯(lián)需求激增?；赩CSEL的技術(shù)的近封裝光學(xué)(NPO)和共封光學(xué)(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(shù)。開發(fā)同時支持高調(diào)制率、低功耗VCSEL是另一個關(guān)鍵目標。
 

　　鑒于此，團隊針對短腔1060nm VCSEL架構(gòu)，提出了復(fù)合約束架構(gòu)，結(jié)合掩埋隧道結(jié)(BTJ)和氧化層孔徑，共同管理器件自熱效應(yīng)、載流子注入選擇性和器件寄生電容。采用8nm反偏結(jié)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(shè)計在8mA驅(qū)動電流下實現(xiàn)37.2 GHz的小信號調(diào)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(jié)的復(fù)合約束VCSEL架構(gòu)
 

圖4：器件直流偏置寄生電容及其電光頻率響應(yīng)性能
 

　　本系列研究在不犧牲光束質(zhì)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(xué)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。