人工智能大模型的基礎設施建設迫切需要單通道100Gbps及更高傳輸速率的數據互聯技術。傳統的多模VCSEL+多模光纖技術，憑借低功耗和高性價比，已廣泛應用于數據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勢的傳輸方案。 
近日，清華大學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隊提出了一種基于啁啾高對比度超結構(chirped HCM)的單橫模VCSEL設計。該設計提出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度分布更好地匹配，從而有效抑制高階模式，最終實現高質量、穩定的單橫模激光輸出。這一設計與傳統多層分布式布拉格反射鏡(DBR)相比，不僅具備優異性能，而且簡化了制造工藝，非常適合量產。
圖1.基于啁啾高對比度超結構(chirped HCM)的單模VCSEL
研究團隊對加工完成的 chirped HCM VCSEL結構進行了深入的結構分析(圖2)。芯片的掃描電鏡(SEM)圖像驗證了設計的可行性和工藝的均勻穩定性。該技術后續將導入批量生產。
圖2.Chirped HCM VCSEL芯片的掃描電鏡(SEM)圖像
研究團隊研發的單模VCSEL在不同溫度和電流條件下展現出優異的功率輸出特性和光譜穩定性(圖3)。測試結果表明，該VCSEL在25°C、50°C和75°C的溫度范圍內能夠保持穩定的輸出功率，同時在光束模式方面表現出良好的模式控制能力。進一步測試顯示，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，充分體現了其在模式選擇性和穩定性方面的顯著優勢。這些特性使其能夠滿足短距離高速光互連應用對輸出穩定性的嚴格要求。
圖3.Chirped HCM VCSEL的功率輸出和光譜穩定性測試
此外，團隊對該VCSEL的頻率響應、相對強度噪聲(RIN)以及高速眼圖進行了全面測試和分析(圖4)。測試結果顯示，該VCSEL在高頻范圍內保持優異的頻率響應特性，能夠穩定支持高速數據傳輸。特別是在最大工作電流(8 mA)條件下，VCSEL的RIN低至-144 dB/Hz，展現了卓越的低噪聲性能和傳輸穩定性。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標準，充分驗證了其在高數據速率下的信號完整性和低噪聲特性。這些測試結果表明，該設計在數據中心和超算系統短距離光互連中具有廣泛應用的潛力。
圖4.Chirped HCM VCSEL的頻率響應，噪聲性能和眼圖測試
相關研究成果以“單模啁啾高對比度超構垂直腔面發射激光器，速率達每秒106吉比特的四電平脈沖幅度調制”(Single-Mode Chirped High-Contrast Metastructure VCSEL for 106 Gbps PAM4 Transmission)為題，發表于《光學》(Optica)雜志，并被選為2024年11月的封面，體現了國際學術界對這一技術在短距離高速光通信領域創新價值的認可。
清華大學深圳國際研究生院2021級博士生崔堯為論文第一作者，常瑞華院士為通訊作者。研究得到深圳市科技計劃、深港科技創新合作區項目以及廣東省重點人才引進項目的資助。
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