清華大學(xué)深圳國際研究生院常瑞華團(tuán)隊(duì)在光通信高速互連技術(shù)領(lǐng)域取得新進(jìn)展
人工智能大模型的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迫切需要單通道100Gbps及更高傳輸速率的數(shù)據(jù)互聯(lián)技術(shù)。傳統(tǒng)的多模VCSEL+多模光纖技術(shù)，憑借低功耗和高性價(jià)比，已廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)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)深圳國際研究生院和深圳博升光電科技有限公司常瑞華院士團(tuán)隊(duì)提出了一種基于啁啾高對比度超結(jié)構(gòu)(chirped HCM)的單橫模VCSEL設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)提出chirped HCM作為VCSEL的頂部反射鏡(圖1)，通過在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(qiáng)度分布更好地匹配，從而有效抑制高階模式，最終實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、穩(wěn)定的單橫模激光輸出。這一設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)多層分布式布拉格反射鏡(DBR)相比，不僅具備優(yōu)異性能，而且簡化了制造工藝，非常適合量產(chǎn)。
圖1.基于啁啾高對比度超結(jié)構(gòu)(chirped HCM)的單模VCSEL
研究團(tuán)隊(duì)對加工完成的 chirped HCM VCSEL結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的結(jié)構(gòu)分析(圖2)。芯片的掃描電鏡(SEM)圖像驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性和工藝的均勻穩(wěn)定性。該技術(shù)后續(xù)將導(dǎo)入批量生產(chǎn)。
圖2.Chirped HCM VCSEL芯片的掃描電鏡(SEM)圖像
研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的單模VCSEL在不同溫度和電流條件下展現(xiàn)出優(yōu)異的功率輸出特性和光譜穩(wěn)定性(圖3)。測試結(jié)果表明，該VCSEL在25°C、50°C和75°C的溫度范圍內(nèi)能夠保持穩(wěn)定的輸出功率，同時(shí)在光束模式方面表現(xiàn)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(xiàn)了其在模式選擇性和穩(wěn)定性方面的顯著優(yōu)勢。這些特性使其能夠滿足短距離高速光互連應(yīng)用對輸出穩(wěn)定性的嚴(yán)格要求。
圖3.Chirped HCM VCSEL的功率輸出和光譜穩(wěn)定性測試
此外，團(tuán)隊(duì)對該VCSEL的頻率響應(yīng)、相對強(qiáng)度噪聲(RIN)以及高速眼圖進(jìn)行了全面測試和分析(圖4)。測試結(jié)果顯示，該VCSEL在高頻范圍內(nèi)保持優(yōu)異的頻率響應(yīng)特性，能夠穩(wěn)定支持高速數(shù)據(jù)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(xiàn)了卓越的低噪聲性能和傳輸穩(wěn)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(biāo)準(zhǔn)，充分驗(yàn)證了其在高數(shù)據(jù)速率下的信號完整性和低噪聲特性。這些測試結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)中心和超算系統(tǒng)短距離光互連中具有廣泛應(yīng)用的潛力。
圖4.Chirped HCM VCSEL的頻率響應(yīng)，噪聲性能和眼圖測試
相關(guān)研究成果以“單模啁啾高對比度超構(gòu)垂直腔面發(fā)射激光器，速率達(dá)每秒106吉比特的四電平脈沖幅度調(diào)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(xiàn)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(rèn)可。
清華大學(xué)深圳國際研究生院2021級博士生崔堯?yàn)檎撐牡谝蛔髡撸Ｈ鹑A院士為通訊作者。研究得到深圳市科技計(jì)劃、深港科技創(chuàng)新合作區(qū)項(xiàng)目以及廣東省重點(diǎn)人才引進(jìn)項(xiàng)目的資助。
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