Single-fundamental-mode cryogenic (3.6 K) 850-nm oxide-confined VCSEL

Anjin Liu, Chenxi Hao, Jingyu Huo, Hailong Han, Minglu Wang, Bao Tang, Lingyun Li, Lixing You and Wanhua Zheng

J. Semicond., 2024, 45(10), 102401. doi: 10.1088/1674-4926/24070025

1、工作简介

随着人工智能（AI）等对计算系统高算力和高能效需求的急剧增长，基于CMOS技术的传统计算系统很难满足高算力和低功耗的要求。基于单通量量子（SFQ）技术的超导计算和量子计算等低温计算有望提供一种高速、极低功耗的计算架构，其中核心挑战之一为如何实现低温（4 K）和室温（298 K）环境之间高速、高能效的数据传输。

基于低温垂直腔面发射激光器（VCSEL）的光互连技术具有低功耗、低热载荷的优势，有望替代电互连技术成为低温和室温环境之间高速、高能效的互连方案。低温VCSEL在空间应用等领域也有重要的潜在应用。另一方面，由于半导体材料和光电子器件在低温环境下表现出与室温条件下不同的性能，探索VCSEL在低温环境下的光电性能具有重要的科学价值，也是目前科学研究前沿。美国在“SuperCables”项目（2019年启动）的支持下，在低温高速、低功耗VCSEL方向取得了重要进展。欧盟在“Acrycomm”项目（2020年启动）的支持下，也在研究用于异构超级计算系统的低温VCSEL光互连技术。

最近，中国科学院半导体研究所郑婉华院士团队刘安金研究组在低温（3.6K）VCSEL方向取得进展。他们自主设计VCSEL外延结构，调控半导体量子阱子带能级，优化VCSEL腔模波长和量子阱增益峰波长之间的偏移量，采用高速VCSEL制作工艺，实现了3.6 K时VCSEL低阈值电流、单模激射。图1为固定在低温恒温器中的VCSEL实物图。图2（a）为VCSEL在3.6K温度时的功率-电流-电压曲线。在298 K时VCSEL的腔模波长偏置在远离量子阱增益峰的短波一侧，氧化孔径为6.5 μm的VCSEL在298 K时的阈值电流约为5 mA，且多模工作。随着温度降低，VCSEL激射波长蓝移，在3.6 K时VCSEL的阈值电流为1.5 mA。

有趣的是，从298 K降到3.6 K，由于有效热光系数随温度非线性降低，VCSEL氧化区有效折射率的变化小于非氧化区，在3.6 K时氧化孔径为6.5 μm的VCSEL实现了单模工作，边模抑制比为36 dB，如图2（b）和（c）所示。这是在4 K温区首次实现VCSEL单模工作。比较VCSEL的基模谱宽发现，温度降低，激光腔的损耗降低，3.6 K时激光腔的Q值大于298 K时的Q值。图2（d）显示，由于AlGaAs系材料的热光系数随着温度非线性降低，从298 K降到3.6 K，VCSEL基模波长非线性下降12.8 nm。210 K时VCSEL的波长-温度系数为0.056 nm/K，而3.6 K时VCSEL的波长-温度系数为0.011 nm/K。

受限于测试条件，暂时不能在片测试3.6 K时VCSEL的动态性能。但温度从298 K降低到292 K，在7 mA电流注入下VCSEL的-3 dB带宽从3.6 GHz提高到6.9 GHz，表明所研制的VCSEL具备在3.6 K实现高带宽和高传输速率的潜力。后续将改进高频封装研究VCSEL在4 K时的动态性能，然后进一步改进低温VCSEL的设计以提高带宽和降低功耗。

图1. 固定在低温恒温器中的VCSEL。

图2. （a）VCSEL在3.6 K时的功率-电流-电压曲线；（b）5 mA时各温度下VCSEL的光谱；（c）3.6 K时各注入电流下VCSEL的光谱；（d）各温度下VCSEL的基模波长。

相关研究结果以《Single-fundamental-mode cryogenic (3.6 K) 850-nm oxide-confined VCSEL》为题发表在Journal of Semiconductors期刊上，并被选为封面文章。刘安金研究员为该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。中国科学院上海微系统与信息技术研究所尤立星研究员、李凌云研究员、韩海龙博士等也为本工作做出了重要贡献。该研究工作得到了国家自然科学基金和北京市自然科学基金的支持。 

2、作者简介

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。

3、文章链接

详情请点击论文链接：Single-fundamental-mode cryogenic (3.6 K) 850-nm oxide-confined VCSEL (jos.ac.cn)