转自《半导体学报》（J. Semicond.）微信公众号。

文章信息：

70 Gbps PAM-4 850-nm oxide-confined VCSEL without equalization and pre-emphasis

Anjin Liu, Bao Tang, Zhiyong Li and Wanhua Zheng

J. Semicond, 2024, 45(5): 050501. 

doi: 10.1088/1674-4926/45/5/050501

Full Text (点此阅读全文)   PDF全文.pdf

内容简介   

垂直腔面发射激光器（VCSEL）具有低功耗、大带宽、高可靠、低成本等优势，成为短距光互连的理想光源，在超级计算机、数据中心和人工智能等领域有重要的应用。提高传输速率一直是VCSEL的研究方向之一，目前主要有2种方法实现高速率：（1）提高VCSEL的-3dB带宽，但受限于VCSEL中载流子-光子共振（CPR）、热效应以及寄生效应等，VCSEL的-3dB带宽通常为30GHz左右；（2）采用先进的调制格式，如四电平脉冲幅度调制（PAM-4）。当前单波50Gbps PAM-4 VCSEL已开始大规模量产应用，单波100Gbps PAM-4 VCSEL正在开发中，并且将过渡到下一代单波200Gbps VCSEL，用于未来400Gbps、800Gbps以及Tbps级光互连。

在进一步提升VCSEL的-3dB带宽极具困难的情况下，采用PAM-4格式为实现VCSEL更高速率提供了方向。PAM-4格式具有相对简单、功耗低、谱效率高等优点，已广泛用在50Gbps和100Gbps的VCSEL短距光互连场景。

最近，中国科学院半导体研究所刘安金研究员、郑婉华院士等人在850nm高速VCSEL研究种取得进展。他们采用半波长腔改善载流子输运和提高光限制因子，压应变量子阱提高微分增益，多氧化层降低寄生效应，先进调制掺杂方案降低电阻和损耗，高效散热方案降低热效应等。测试结果表明，基于约6μm氧化孔径VCSEL的链路-3dB带宽达到23.7GHz，在没有预加重、均衡、DPS等技术下，VCSEL可以实现PAM-4 70Gbps速率，具备超过PAM-4 100Gbps速率的潜力。

图1. （a）850 nm VCSEL的功率-电流-电压曲线；（b）光谱；（c）小信号响应曲线；（d）35 Gbps NRZ调制眼图；（e）70 Gbps PAM-4调制眼图。

相关研究结果以《70 Gbps PAM-4 850-nm oxide-confined VCSEL without equalization and pre-emphasis》为题将发表在Journal of Semiconductors期刊2024年第5期（doi: 10.1088/1674-4926/45/5/050501），刘安金研究员为论文第一作者和通讯作者，该工作得到了郑婉华院士的悉心指导，半导体所李智勇副研究员也为本工作做出了重要贡献。 

作者简介   

通讯作者、第一作者

刘安金，中国科学院半导体研究所，研究员，博士生导师，中国科学院高层次引进人才计划入选者，德国“洪堡”学者，中国科学院大学岗位教授。

2006年在华中科技大学获得学士学位，2011年在中国科学院半导体研究所获得博士学位（导师：郑婉华院士），研究方向为单模大功率低发散角光子晶体VCSEL。2012年到2015年在德国柏林海因里希赫兹研究所和德国柏林工业大学工作（合作导师：Dieter Bimberg院士），研究方向为高速微纳VCSEL。

长期从事VCSEL、垂直集成光子芯片等方向的基础和应用研究。近几年主持国家自然科学基金面上项目、高技术项目、中国科学院高层次引进人才项目、北京市自然科学基金重点研究专题项目等多项。在Photonics Research、Applied Physics Letters、Optics Letters、Optics Express等期刊上发表关于VCSEL等相关的论文60余篇，其中以第一作者兼唯一通讯作者在Photonics Research等期刊上发表了4篇关于VCSEL的综述论文。获得美国/中国授权专利19项。在SPIE Photonics Europe等场合作邀请报告20多次。

任Nature Communications、Optica、Laser & Photonics Reviews、Photonics Research等主流期刊的独立审稿人。任波兰国家科学中心、国家自然科学基金委、科技部的项目评审专家。任中国有色金属学会半导体材料学术委员会委员。获得中国科学院院长特别奖、中国科学院优秀博士论文、北京市科学技术奖二等奖、德国“洪堡”学者、中国光学工程学会创新技术奖一等奖、国家技术发明奖二等奖等奖项/荣誉。