中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
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。
