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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

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  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-3 dB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-3 dB带宽通常为30 GHz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50 Gbps PAM-4 VCSEL已开始大规模量产应用，单波100 Gbps PAM-4 VCSEL正在开发中，并且将过渡到下一代单波200 Gbps VCSEL，用于未来400 Gbps、800 Gbps以及Tbps级光互连。

在进一步提升VCSEL的-3 dB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50 Gbps和100 Gbps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850 nm高速VCSEL研究中取得进展。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6 μm氧化孔径VCSEL的链路的 -3 dB带宽达到23.7 GHz，在没有预加重、均衡、DPS等技术下，VCSEL可以实现PAM-4 70 Gbps速率，具备超过PAM-4 100 Gbps速率的潜力。

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。 

刘安金，中国科学院半导体研究所，研究员，博士生导师，德国“洪堡”学者，中国科学院大学岗位教授。