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清華團隊在光通信高速互連技術(shù)領(lǐng)域取得新進(jìn)展
來(lái)源:光通訊網(wǎng)  瀏覽次數:351  發(fā)布時(shí)間:2024-11-12

人工智能大模型的基礎設施建設迫切需要單通道100Gbps及更高傳輸速率的數據互聯(lián)技術(shù)。傳統的多模VCSEL+多模光纖技術(shù),憑借低功耗和高性?xún)r(jià)比,已廣泛應用于數據中心和智算中心的短距離光互連,但其受限于激光器的色度色散和光纖中的模式色散,該方案存在信道的速率和傳輸距離的瓶頸問(wèn)題。相比之下,單橫模VCSEL與單模光纖的組合可以從根本上解決傳輸瓶頸問(wèn)題,是更高效且更具成本優(yōu)勢的傳輸方案。

近日,清華大學(xué)常瑞華院士團隊提出一種基于啁啾高對比度超結構(chirped High-Contrast Metastructure, chirped HCM)的850nm單橫模垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)芯片,實(shí)現了106 Gbps PAM4傳輸速率。該設計提出chirped HCM作為VCSEL的頂部反射鏡,通過(guò)在chirped HCM反射鏡中引入了橫向漸變的反射率,使其能夠與激光的基模強度分布更好地匹配,從而有效抑制高階模式,最終實(shí)現高質(zhì)量、穩定的單橫模激光輸出。這一設計與傳統多層分布式布拉格反射鏡(DBR)相比,不僅具備優(yōu)異性能,而且簡(jiǎn)化了制造工藝,非常適合量產(chǎn)。

研究團隊對加工完成的 chirped HCM VCSEL結構進(jìn)行了深入的結構分析。芯片的掃描電鏡(SEM)圖像驗證了設計的可行性和工藝的均勻穩定性。該技術(shù)后續將導入批量生產(chǎn)。


        研究團隊研發(fā)的單模VCSEL在不同溫度和電流條件下展現出優(yōu)異的功率輸出特性和光譜穩定性。測試結果表明,該VCSEL在25°C、50°C和75°C的溫度范圍內能夠保持穩定的輸出功率,同時(shí)在光束模式方面表現出良好的模式控制能力。進(jìn)一步測試顯示,在2-8mA電流范圍和5-75°C的工作溫度下,其邊模抑制比(SMSR)始終高于40dB,充分體現了其在模式選擇性和穩定性方面的顯著(zhù)優(yōu)勢。這些特性使其能夠滿(mǎn)足短距離高速光互連應用對輸出穩定性的嚴格要求。


        此外,團隊對該VCSEL的頻率響應、相對強度噪聲(RIN)以及高速眼圖進(jìn)行了全面測試和分析。測試結果顯示,該VCSEL在高頻范圍內保持優(yōu)異的頻率響應特性,能夠穩定支持高速數據傳輸。特別是在最大工作電流(8 mA)條件下,VCSEL的RIN低至-144 dB/Hz,展現了卓越的低噪聲性能和傳輸穩定性。在53Gbps和106Gbps PAM4高速傳輸測試中,眼圖輪廓清晰,完全符合IEEE 802.3db?-2022標準,充分驗證了其在高數據速率下的信號完整性和低噪聲特性。這些測試結果表明,該設計在數據中心和超算系統短距離光互連中具有廣泛應用的潛力。


        相關(guān)研究成果以“單模啁啾高對比度超構垂直腔面發(fā)射激光器,速率達每秒106吉比特的四電平脈沖幅度調制”(Single-Mode Chirped High-Contrast Metastructure VCSEL for 106 Gbps PAM4 Transmission)為題,發(fā)表于《光學(xué)》(Optica)雜志,并被選為2024年11月的封面,體現了國際學(xué)術(shù)界對這一技術(shù)在短距離高速光通信領(lǐng)域創(chuàng )新價(jià)值的認可。

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