垂直腔面發射激光器（VCSEL）具有成本低、調制速率高等優點，在光通信領域具有重要應用。隨著數據流量的飛速增長，在長距離信息傳輸中，具有低損耗的1550 nm波長的VCSEL引起了研究人員的興趣。

近日，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所田思聰研究員與韓賽一碩士研究生在《發光學報》（EI、核心期刊）發表了題為“高速1550 nm垂直腔面發射激光器研究進展”的綜述文章。

該綜述重點介紹了1550 nm VCSEL的結構和帶寬限制因素以及提高帶寬和速率的方法，并從NRZ（不歸零）調制和PAM4（四電平脈沖幅度）調制兩方面對近年來高速1550 nm VCSEL的研究進展進行了總結，最后展望了高速1550 nm VCSEL在未來光通信領域的發展和應用。

1. 引言

垂直腔面發射激光器（VCSEL）具有調制速率高、與光纖的耦合特性很好、能耗低、生產成本低等優點，非常適合作為光通信領域的光源。目前，基于GaAs基材料的短波850 nm VCSEL的制備技術已經很成熟，但由于模式色散，在基于850 nm VCSEL的光通信系統中，信息的傳輸距離被限制在數百米。與之相比，1550 nm波段是光纖的低損耗窗口，在相同的光纖長度下，1550 nm VCSEL在光纖上的傳輸損耗約為850 nm VCSEL在光纖上傳輸損耗的1/10左右，因此更加適合長距離傳輸。

2. 高速VCSEL的帶寬限制因素

要制備具有高調制帶寬的高速VCSEL，首先要了解限制VCSEL調制帶寬的因素。從VCSEL的傳遞函數可知，調制帶寬主要受到阻尼限制、熱限制和寄生限制。

（1）阻尼限制：若要減小阻尼限制，可以通過刻蝕頂部DBR或在頂部DBR沉積氮化硅減小光子壽命等方法來實現。

（2）熱限制：VCSEL工作時溫度升高，有源區會出現載流子泄露，使得弛豫振蕩頻率減小，器件帶寬減小。要減小熱限制可以采用短腔或半波長腔來提高光學限制因子、減小有源區體積、使用應變量子阱增大微分增益，從而提高弛豫振蕩頻率。

（3）寄生限制：VCSEL的寄生效應會影響注入電流進入有源區，從而限制VCSEL的高速調制性能。要減小寄生限制，需要盡可能地減小VCSEL器件中的電容和電阻，如改變DBR的摻雜分布將吸收損耗降到最小來減小電阻，或通過緩變結降低異質結處的勢壘尖峰和改善勢壘形狀從而減小電阻。對于氧化限制型VCSEL，使用薄氧化層或多個氧化層的方法可以減小寄生電容。而對于BTJ結構來說，在制備BTJ結構進行二次生長時降低摻雜濃度可以減小高摻雜p+n+區的寄生電容。

3. 1550 nm VCSEL改善高速性能的方法

（1）優化器件結構

目前，1550 nm VCSEL制備工藝仍不完善，主要是基于InP基的具有高折射率和高熱導率的分布式布拉格反射鏡（DBR）難以制備、長波長VCSEL的熱問題較為顯著，1550 nm VCSEL的有效電流限制結構很難形成。為解決以上難題，晶圓熔合（Wafer-fusion，WF）技術和掩埋隧道結（BTJ）得到了廣泛的應用。圖1所示為1550 nm VCSEL的結構示意圖。

首先，晶圓熔合技術為高性能DBR難以制備的問題提供了解決方案。在InP襯底上生長有源區，在GaAs襯底上生長熱性能好的DBR，如GaAs/AlGaAs材料的 DBR，然后通過晶圓熔合技術將它們結合在一起，從而獲得腔長較短、散熱性能較好的1550 nm VCSEL。

圖1：1550 nm VCSEL結構示意圖

此外，BTJ結構是目前高速1550 nm VCSEL最常用的結構。BTJ結構可以通過選擇性刻蝕孔徑外的高摻雜n++和p++型層、然后在二次外延生長時用輕摻雜n型材料覆蓋剩余的p型層來實現，這一方法大大減少了p區的熱效應。而且二次外延BTJ結構可以在BTJ區域外形成一個阻塞的pn結層，而在BTJ區域內，由于隧道效應，p++n++結具有較低的電阻。因此電流被限制在重摻雜區，從而實現對電流的限制。此外，通過晶圓熔合技術制備的1550 nm VCSEL具有散熱性能優異的DBR，對解決器件的熱問題也有幫助。田思聰研究員與俄羅斯團隊合作，通過晶圓熔合技術，實現了1550 nm VCSEL基于NRZ調制下37 Gbps的傳輸速率。圖2為該器件在NRZ調制下的眼圖。

圖2：1550 nm VCSEL傳輸速率為37 Gbit/s時的NRZ眼圖

（2）使用更高級的調制格式

隨著研究的發展，1550 nm高速VCSEL的器件結構不斷完善，但受制于熱效應和寄生效應，通過改善器件結構來提升VCSEL傳輸速率的方法有一定的上限。因此，為了實現更高速率的傳輸，在傳輸鏈路中使用更加先進、有效的調制格式來代替傳統的調制格式將成為必然。

傳統的VCSEL 調制一般使用NRZ 調制格式，它采用高、低兩種信號電平來表示所要傳輸的數字邏輯信號0和1，每個符號能夠傳輸1 bit 的邏輯信息。而PAM4 信號采用4個不同的信號電平（00）、（01）、（10）、（11）來進行信號傳輸，因此每個符號上能傳輸的信息增加為2 bit。這代表著在與NRZ調制相同的符號率下，PAM4調制在理論上可以提高一倍的傳輸速率，因此對鏈路的帶寬需求大大降低。

4. 結論與展望

晶圓熔合技術和BTJ結構的使用優化了1550 nm VCSEL結構，增大了器件的調制帶寬。而PAM4調制格式理論上可以在與NRZ調制格式相同的符號率下，提升一倍的傳輸速率。這些研究都大大地提升了1550 nm VCSEL的高速性能，但目前1 550 nm VCSEL仍面臨很大挑戰，它的制備技術仍然達不到850 nm VCSEL那樣成熟，上述器件結構的優化并不能完全解決制備上的難題。

因此，在長距離數據傳輸中，量子阱（QW）激光器和分布反饋（DFB）激光器仍是主要的光源。但我們可以預見，隨著研究的不斷深入，這些難題一定會被完全解決；而且相比PAM4調制格式更加先進的技術也可能被運用到信息傳輸中，1550 nm VCSEL也終將會在長距離數據傳輸中占據更加重要的地位。

| 論文信息 |

韓賽一, 田思聰, 徐漢陽, 等. 高速1 550 nm垂直腔面發射激光器研究進展[J]. 發光學報, 2022, 43(5):736-744. DOI：10.37188/CJL.20220048.

https://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20220048

| 作者簡介 |

韓賽一， 2020年于吉林大學獲得學士學位，現為中國科學院長春光學精密機械與物理研究所中德綠色光子學研究中心碩士研究生，主要從事垂直腔面發射激光器的研究。

田思聰，2012年于吉林大學獲得博士學位，現任中國科學院長春光學精密機械與物理研究所中德綠色光子學研究中心研究員，博士研究生導師，主要從事高速半導體激光器的研究。

佟存柱，2005年于中國科學院半導體所獲得博士學位，發光學及應用國家重點實驗室常務副主任，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所研究員，博士研究生導師，主要從事高亮度半導體激光芯片、面發射激光器和碟片激光器的研究。

王立軍，1982年于吉林大學獲得碩士學位，中國科學院院士，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所研究員，博士研究生導師，主要從事激光技術等領域的基礎及應用研究。

Dieter Bimberg，德國科學院院士，美國工程院院士，美國發明家學會院士，俄羅斯科學院院士，柏林工業大學終身教授，現為中國科學院長春光學精密機械與物理研究所中德綠色光子學研究中心主任，博士研究生導師，主要從事量子點激光器、高速VCSEL的研究。

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