80 Gb/s 高速PAM4 调制850 nm 垂直腔面发射激光器

王延靖，佟存柱，*，栾晓倩，蒋 宁，佟海霞，汪丽杰，，田思聪，孟 博

（1. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 发光学及应用国家重点实验室，吉林 长春 130033；2. 吉光半导体科技有限公司，吉林 长春 130031）

1 引 言

在过去的二十年中，850 nm 氧化物限制多模垂直腔面发射激光器（VCSEL）在低成本、小体积、低功耗等方面充分表现出了其在短距离多模光纤数据通信应用中的优势[1-2]。其具备高可靠性和满足不断增长的数据速率需求的能力[3]。更高数据速率需求的主要驱动因素是数据和存储中心以及超级计算。目前，市场仍由100 GSR4 收发器占据主导地位，使用4 个通道，每个通道25 Gb∕s。然而，200 G∕400 G 模块自2021 年以来不断增加，每通道25~28 Gbaud 4 电平脉冲幅度调制（PAM4）的VCSEL 已经在批量生产。

预计即将到来的800 G 需求将于2023 年开始逐步增加[4]。随着业界技术发展，将支持每个光信道100 Gb∕s 的下一代光链路，许多公司正在采用先进的调制技术，如多电平调制格式PAM4，这对VCSEL 的性能提出了更高的要求, 需要大带宽、平坦的频率响应、高线性、低相对强度噪声（RIN）和窄光谱宽度等[5]。尤其是53 GBaud 的PAM4 信号，在相同的波特率和功率下比不归零（NRZ）信号对幅度噪声更敏感，需要重新评估噪声源，如RIN、模式分割噪声（MPN）和模式噪声（MN）[6-8]。最近，几个研究组报道了使用PAM4 调制实现高达100 Gb∕s 数据传输速率的令人印象深刻的结果。2020 年，美国Broadcom 公司通过优化弛豫振荡频率和RIN，最终实现了106 Gb∕s 数据传输速率[9-11]。2022 年，Ⅱ-Ⅵ公司通过平坦化调制响应曲线和低至-150 dB∕Hz 的RIN，实现了PAM4 调制106 Gb∕s 数据传输速率[12]。2020 年，住友电工通过优化光限制因子和拓展调制带宽，实现85 ℃时106 Gb∕s 数据传输速率[13]。这些结果表明，开发能够在53 GBaud（大于100 Gb∕s PAM4）下运行的850 nm VCSEL 将使新一代企业的存储网络、数据中心的服务器到服务器和交换机到交换机连接以及高性能计算和机器学习应用网络成为可能。

本文介绍了高速氧化限制型850 nm VCSEL的研究。相对于本课题组之前的研究成果[14-15]，我们采用了一种综合的优化设计方案，重点是通过优化外延结构设计来实现更大的光限制因子和更高的微分增益，以实现带宽拓展。我们通过对顶层DBR 进行优化设计以及部分刻蚀来调控光子寿命，在实现较为平坦调制响应的同时，获得了较小的RIN。

2 设计与制备

2.1 设计

对于超高速PAM4 调制，不仅需要具有高的3 dB 带宽,而且需要平坦的频率响应。VCSEL 的小信号调制由以下传递函数表示[16]：

其中fr表示弛豫振荡频率，fp表示寄生截止频率，γ表示阻尼系数。弛豫振荡频率fr表示为：

其中ηi是内部量子效率，Γ是光学限制因子，vg是群速度，La是量子阱的总厚度，∂g∕∂n是微分增益，χ是传输因子。阻尼系数γ表示为

其中τp是光子寿命。

对于实现非常高的f3dB，需要同时具有高的fr和fp，并且最佳的γ是必要的。我们通过降低接触焊盘和半导体层的电容来实现增加fp。限制VCSELf3dB的另一重要因素是固有内在因素，也即需要提高fr，fr表达式如公式（2）所示。在这项工作中，我们优化了外延层设计，包括优化InGaAs∕Al-GaAs 来提高微分增益（∂g∕∂n），设计更短的λ∕2 腔来提高光限制因子(Γ)。虽然在γ很小时即可以达到最大的f3dB（弱阻尼），然而有研究表明高速PAM4 调制需要更强的阻尼来获得平坦的频率响应[13]。因此，我们通过改变光子寿命来平衡高f3dB和足够的阻尼。

2.2 制备

采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长850 nm VCSEL外延材料。底部DBR 主要由Al0.12GaAs∕AlAs 交叠制成，以降低热阻抗。为了防止高铝组分层被氧化，靠近有源区部分由3 对Al0.12GaAs∕Al0.9GaAs组成。顶部DBR均由Al0.12GaAs∕Al0.9GaAs制成。DBR 具有渐变界面和调制掺杂，以实现低电阻和内部光学损耗。在有源区上方p-DBR 中放置多个氧化物孔，用于载流子限制与降低寄生电容。两个湿法氧化后的Al0.98Ga0.02As 层用来限制横向光场和电流。4 个Al0.96Ga0.04As 层用于减少氧化物孔径寄生电容。我们使用半波长（λ∕2）厚的腔来实现高的纵向光学限制。在有源区，我们使用了应变InGaAs∕AlGaAs 多量子阱，高掺杂GaAs 被用作P 接触层。为了实现光子寿命控制，我们通过优化顶部DBR 层的数量和对GaAs 接触层进行部分刻蚀来进行反射率的调控。对于器件制备，首先通过电感耦合等离子体（ICP）刻蚀方法制备了直径为25 μm 的台面，并使用激光干涉仪监测刻蚀深度。在干法蚀刻之后，将样品送至充满H2O 蒸气和N2载气的氧化炉，以横向氧化含高铝组分的Al0.98GaAs 和Al0.96GaAs 层。氧化物的侧视图扫描电子显微镜（SEM）图像层如图1（c）所示。分 别 蒸 镀 并 退 火p 型Ti∕Pt∕Au 和n 型Ni∕AuGe∕Ni∕Au 金 属 接 触 电 极。最 终 使 用 苯 并 环 丁烯（BCB）进行平坦化，以及地∕信号（GS）共面电极蒸镀。图1（a）所示为VCSEL 器件示意图，图1（b）显示了VCSEL 显微镜图。

图1 850 nm VCSEL。 （a）器件示意图；（b）俯视显微镜图；（c）截面SEM 图。Fig.1 850 nm VCSEL. （a）Device schematic diagram. （b）Overhead microscope view. （c）Cross section SEM image.

3 结果与讨论

图2 显示了VCSEL 的典型光输出功率-电流-电压（L-I-V）特性。具有阈值电流0.69 mA，斜率效率0.75 W∕A，在7 mA 时的电压为2.6 V，光功率为4.8 mW，微分电阻为91 Ω。如图3 所示，在7 mA 下的光谱显示了854.3 nm 的峰值波长，我们采用RMS 来定义光谱宽度，其表示为[17]:

图2 L-I-V 曲线Fig.2 L-I-V curve

图3 850 nm VCSEL 光谱Fig.3 The optical spectrum of the 850 nm VCSEL

其中λ0为平均波长，Pi和λi分别表示峰值至小于峰值20 dB 的激光光谱范围内第i个模式的峰值功率和波长。测得均方根光谱宽度为0.9 nm，大于数据传输100 m 距离所需光谱宽度（<0.6 nm）[10]，具有较大的谱宽是因为较大的氧化孔径（~7 μm）导致的。这表明需要进一步提高VCSEL 输出光谱性能，采用较小的氧化孔（~3 μm）、出光孔表面制备微结构以及多孔干涉等都是较为有效的方法。

小信号测量使用67 GHz Keysight 网络分析仪进行，频率响应如图4 所示，显示出非常平坦的特性，3 dB 带宽为24 GHz。如图5 所示为测得的RIN 谱，RIN 值约为-155 dB∕Hz。已有一些研究表明，实现100 Gb∕s 高速VCSEL，相应的RIN 值需要小 于-150 dB∕Hz[5]。因 此 我 们 研 制 的VCSEL 具 有较小的RIN 值，支持高速850 nm VCSEL 实现100 Gb∕s 的数据传输速率。

图4 调制带宽曲线Fig.4 Modulation bandwidth curve

图5 RIN 谱Fig.5 RIN spectrum

VCSEL 的大信号性能是在晶圆上使用GS射频探针进行表征的。图6 显示了用于大信号调制的测量装置。射频调制信号和直流偏置电流通过偏置三通相结合来驱动VCSEL。采用SHF 码型发生器与数模转换器生成PAM4 调制信号。从VCSEL 输出的光耦合到多模光纤MMF。使用高速探测器与泰克示波器获得和分析眼图。在背靠背光纤传输测试中使用了多模OM5 光纤。

图6 PAM4 大信号调制测量实验装置Fig.6 Experimental device for PAM4 large signal modulation measurement

图7 显示了VCSEL 在偏压电流为7 mA 时，50，60，80 Gbit∕s PAM4 调制 的眼图，未采用任何预加重与均衡技术，发射色散眼图闭合代价（TDECQ）值分别为1.3，2.3，2.7 dB。所有条件下的消光比（ER）均大于2.5 dB。虽然使用53.125 GBd PAM4 的MMF 链路的TDECQ 要求尚未定义，但目前26.562 5 GBd PAM4 链路的上限目标值为小于4.5 dB[5]。所制备VCSEL 在速率高达80 Gb∕s 时，TDECQ 值小于4.5 dB，这表明其具有良好的TDECQ 值。然而，这距离100 Gb∕s 的数据传输速率还有一定的差距，需要进一步提高VCSEL 高速性能，以实现更高速率工作。

图7 不同PAM4 调制速率下的眼图。 （a）50 Gb∕s；（b）60 Gb∕s；（c）80 Gb∕s。Fig.7 Eye graph at different PAM4 modulation rates. （a）50 Gb∕s. （b）60 Gb∕s. （c）80 Gb∕s.

4 结 论

本文展示了一种可以不采用任何预加重和均衡技术实现80 Gb∕s 数据传输速率的 PAM4调制 850 nm VCSEL。在7 mA 偏置电流下，对各项性能进行了测试，阈值电流0.69 mA, 功率4.8 mW, RMS 为0.9 nm, 3 dB 带 宽24 GHz，且 具有 平 坦 的 频 率 响 应，RIN 值-155 dB∕Hz，TDECQ值2.7 dB。这些测试结果表明，我们研制的850 nm 高速VCSEL 具有优良的性能，虽然距离下 一 代100 Gb∕s 高 速VCSEL 还 有 一 定 差 距，但是我们相信经过进一步的外延优化设计，包括高微分增益量子阱设计和掺杂优化等，将获得更高的调制带宽，最终将实现100 Gb∕s 数据传输速率。因此，所研制的VCSEL 具有良好的应用潜力。

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