摘要
850 nm的垂直腔面发射激光器（VCSEL）是短距离光互连的核心光源。随着对数据中心流量的需求增加，实现不归零（NRZ）调制高速无误码传输是目前的研究热点。本文设计制备了基于λ/2短腔和六层氧化限制层的高速850 nm VCSEL，室温下最高-3 dB带宽达到23.8 GHz。NRZ调制50 Gbit/s（1 m）和40 Gbit/s（100 m）速率下获得清晰的眼图。在未使用预加重、均衡和前向纠错的条件下，通过NRZ调制在1 m和100 m下无误码传输速率分别为40 Gbit/s和30 Gbit/s。
关键词
随着云计算、5G通信及物联网的不断普及与应用，人们对数据中心流量的需求急剧增加，目前解决这个问题的方法之一是寻求支持更大容量的短距离光互连技
本文旨在研究高速VCSEL芯片速率提升方法，实现NRZ调制40 Gbit/s无误码的传输。本文研制了一种λ/2短腔的六层氧化限制层结构的高速850 nm VCSEL芯片，介绍了无误码40 Gbit/s VCSEL的设计方案与制备流程，并对其静态输出特性与在NRZ调制下的动态传输特性进行了研究和分析，最后对本文的工作进行了总结。
nm VCSEL的设计与制备
本文设计的850 nm VCSEL的外延结构从上到下依次为P型接触层、P型布拉格反射镜（DBR）、有源区、N型DBR以及N型接触层。P型DBR中包含了14对Al0.88Ga0.12As/Al0.12Ga0.88As层和6层氧化层，氧化层包括2层Al0.98Ga0.02As一级氧化层与4层Al0.96Ga0.04As二级氧化层，4层二级氧化层主要用于降低寄生电容。腔长的光学厚度为λ/2，有源区为5个InGaAs/AlGaAs量子阱。N型DBR包括25对AlAs/Al0.12Ga0.88As层和8对Al0.88Ga0.12As/Al0.12Ga0.88As层，其中AlAs层用来提高散热。在器件外延的整体设计中，我们优化了DBR的掺杂，降低了器件的DBR电阻。通过软件FDTD进行折射率与光场分布模拟，模拟结果如
图1 设计的850 nm VCSEL腔内的折射率分布与光场强度
Fig. 1 Refractive index profile and simulated optical field intensity inside the designed 850 nm VCSEL cavity
本文采用典型VCSEL芯片制备工艺流程，首先通过金属有机化学气相沉积设备进行VCSEL外延生长，然后使用光刻胶将光学掩模版上的图案转移到生长好的外延片上，利用干法刻蚀工艺制备器件的上台面和下台面，制备的VCSEL的上台面直径为20 μm，下台面直径为35 μm。通过湿法氧化工艺形成直径为5 μm的氧化孔，进行电场与光场的限制。
图2 （a） 湿法氧化后器件截面的SEM图像，暗线是氧化后的高铝层，（b） 制备的具有GSG探测电极的VCSEL顶视图
Fig. 2 （a） SEM image of the cross section of the device after wet oxidation, the dark lines are the oxidized high-Al-composition layers, （b） top-view of fabricated VCSEL with ground-signal-ground （GSG） probe pads
本文首先测试了直径为5 μm氧化孔的VCSEL器件，将VCSEL出射的光耦合进功率计探头进行L-I-V测试，测试曲线图如3（a）所示；同时通过光纤将激光导入光谱仪，测得不同电流下的光谱如
图3 （a） 5 μm氧化孔径VCSEL室温下L-I-V特性曲线，（b）不同注入电流下VCSEL的光谱图
Fig. 3 （a） L-I-V curves of VCSEL with 5 μm oxide aperture at room temperature, （b） lasing spectra at different bias currents
将VCSEL发射的激光通过光纤耦合导入到矢量网络分析仪进行小信号数据测试。室温下本文制备的850 nm VCSEL在不同电流下的小信号调制响应S21曲线如
| , | （1） |
其中，Γ是光限制因子，ηi是注入效率，νg是光子群速度，V为有源区体积。是微分增益，χ为输运因子。由公式可知，D因子与光限制因子、有源区体积、注入效率有关。由
图4 （a） 室温下850 nm VCSEL在不同电流下的小信号调制响应S21曲线,（b）VCSEL弛豫振荡频率和-3 dB调制带宽与阈值以上电流的平方关系
Fig. 4 （a） Small signal modulation response S21 curve of 850 nm VCSEL at different current values at room temperature, （b） square relation of VCSEL relation oscillation frequency and -3 dB modulation bandwidth to current above threshold
本文数据传输测试的方法为将偏置信号和调制信号通过高频探针加到VCSEL上，经多模光纤将VCSEL的光信号耦合到示波器得到眼图，眼图能够反映链路上传输的所有数字信号的整体特征。再将光信号与光纤连接，经光电探测器转换为电信号后由放大器放大，输入到误码仪中测量器件的误码率（BER），误码率指错误接收码元数目在传输码元总数中所占的比
采用PRBS7码和PRBS31码，经过1 m光纤传输后，器件在不同传输速率下的误码率如
图5 （a） 经1 m光纤传输，采用PRBS7码和PRBS31码测试器件的误码率，右图：50 Gbit/s传输速率时采用PRBS7码和PRBS31码测试的光学眼图，（b） 经100 m光纤传输，采用PRBS7码和PRBS31码测试器件的误码率，右图：40 Gbit/s传输速率时采用PRBS7码和PRBS31码测试的光学眼图
Fig. 5 （a） The bit error rate tests of device in PRBS7 and PRBS31 codes at the transmission distance of 1 m fiber, the figure on the right: optical eye diagram in PRBS7 and PRBS31 codes at 50 Gbit/s, （b） the bit error rate tests of device in PRBS7 and PRBS31 codes at the transmission distance of 100 m fiber, the figure on the right: optical eye diagram in PRBS7 and PRBS31 codes at 40 Gbit/s
在没有抖动的情况下，浴盆曲线在BER=1×1
图6 器件通过NRZ调制，采用PRBS7码测试的浴盆曲线图，（a） 经1 m光纤传输在40 Gbit/s数据传输速率下的浴盆曲线图，（b） 经100 m光纤传输在40 Gbit/s数据传输速率下的浴盆曲线图
Fig. 6 Bath curves of the device tested by NRZ modulation using PRBS7 code, （a） bath curves at the transmission distance of 1 m fiber of 40 Gbit/s data transfer rate, （b） bath curves at the transmission distance of 100 m fiber of 40 Gbit/s data transfer rate
测试结果表明，在40 Gbit/s数据传输下实现了无误码传输，在50 Gbit/s数据传输下，得到了较清晰的眼图。但其BER较高，主要原因可能是由于器件谱宽较宽以及带宽还不足够高（如
针对目前850 nm VCSEL无法满足日益增长的数据流量需求的问题，本文设计制备了一种λ/2短腔的六层氧化限制层的高速850 nm垂直腔面发射激光器，测试得到最大带宽为23.8 GHz。通过NRZ调制的方法，在未使用预加重、均衡和前向纠错的条件下，在传输距离分别为1 m和100 m，传输速率分别为40 Gbit/s和30 Gbit/s时均能实现无误码传输。在光纤传输距离分别为1 m和100 m，传输速率为40 Gbit/s时，分别实现了0.46 UI和0.18 UI的眼图张开幅度。
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