滿足32G光纖通信應用 850nm VCSEL傳輸率躍升

2021-01-08 千家智客

[導讀]過去10年間，商業化大量生產的850nm VCSEL光連線方案，數據傳輸率已經提高到每通道14Gbit/s，採用VCSEL陣列的平行光纖發射器產品更超過100Gbit/s...

　　文．Jingyi Wanga等

　　850nm VCSEL (垂直腔面發射雷射器，Vertical Cavity Surface Emitting Laser)技術目前已經成熟，並成為主流的光子通信技術，適合短距離多模光纖(Multi-Mode Fiber, MMF)數據通信應用。

　　過去10年間，商業化大量生產的850nm VCSEL光連線方案，數據傳輸率已經提高到每通道14Gbit/s，採用VCSEL陣列的平行光纖發射器產品更超過100Gbit/s。對於數據通信連線能力與帶寬的需求持續創造更高數據傳輸率VCSEL的市場。以高達甚至超過28Gbit/s數據傳輸率運作的直接調製VCSEL，已經成為滿足未來各種專用以及標準應用，包括32G的光纖信道(Fiber Channel)、CEI-25(25～28Gbit/s)、Infiniband EDR(4,12x25Gbit/s)以及100G Ethernet等不可或缺的產品。

　　980nm與1,100nm VCSEL已經被驗證能夠達到35Gbit/s與45Gbit/s的調製速度，可以達到更長發射波長，主要透過砷化銦鎵(InGaAs)量子井(Quantum Well, QW)來達成，原因是它擁有比砷化鎵(GaAs)量子井更高的差動增益、更低的穿透載子密度、更長的發射波長，同時也允許設計能夠加入具有更佳的折射率對比與熱傳導能力的二進位鏡像。

　　對於850nm附近的商用標準短距離數據通信波長範圍，最近的結果顯示，半波長腔體設計可以改善轉發與縱向光局限因子，更緊密的砷化銦鎵量子井可以改善差動增益，而在p型分布布拉格鏡面(Distributed Bragg Reflector, DBR)中加上雙氧化孔徑則可以降低電容，並且已經證實可以在25℃時達到28GHz的調製帶寬以及44Gbit/s的數據傳輸率。

　　本文將介紹可以符合25Gbit/s到28Gbit/s VCSEL應用要求的850nmVCSEL，整體設計在做法上並非聚焦於室溫下最快可能速度的VCSEL，而是能夠在0～85℃延伸溫度範圍下擁有優化效能的高可靠度VCSEL。

　　組件設計與生產

　　要滿足在0-85℃溫度範圍下，支持28Gbit/s數據傳輸率收發器模塊要求，以及面對如何平衡可靠度與效能兩個相互衝突要求的挑戰，為了管理這些可能衝突的要求，新VCSEL在設計上選用一個商用三維(3D)有限元素組件仿真器，其中包含光學、電氣及熱效應，模擬中使用的主要材料參數則由材料增益、自由載子吸收耗損以及材料的傳導能力決定。

　　850nm VCSEL的優化設計在工程上可以符合高達28Gbit/s的數據傳輸率要求，設計包含多層量子井(MQW)的優化、載子轉發、電流孔徑大小，以及n型與p型DBR層組成設計與等級，並達到同時較低的串行電阻、光吸收與熱阻抗的摻雜處理。而優化設計透過較低的電流密度提供帶寬，以便將接面發熱降到最低並延長損壞前的使用壽命，在7.5毫安(mA)偏壓電流下，有限元素模型在5℃、25℃、40℃、75℃及90℃等五個不同仿真溫度都預測超過18GHz的-3dB帶寬。

　　這個VCSEL設計已可在安華高的III-V量產產在線實現，整個製作流程使用安華高的10G與14G VCSEL量產程序，並採用感應耦合型電漿(Inductively Coupled Plasma, ICP)的乾式蝕刻製程形成主動區上p-DBR中的單高鋁砷化鋁鎵(AlGaAs)層，高鋁層接著以高溫溼式氧化製程進行氧化，形成電流孔徑並用來產生折射率對比，並使用多能量植入技術來將寄生電容降到最低。

　　組件特性探究

　　所製造出的組件在晶圓上以Cascade Microtech GS125射頻探針進行測試，經過調校以免除測試安排效應的小信號測量則由安捷倫(Agilent)的E8364B PNA網絡分析儀執行。在時域特性上，組件由PRBS31以25Gbit/s模型產生器推動，眼圖則使用安捷倫的86105D，以20GHz帶寬光學插入進行測量。

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　　圖1顯示VCSEL在5℃到90℃溫度範圍內的典型LI曲線，其中延伸溫度範圍的翻滾電流遠大於9毫安。這個設計對幾個關鍵參數進行優化，包括Fabry Perot共振腔波長及主動區增益尖峰間的波長位移，這決定了臨界電流相對於溫度效應和熱阻的相對關係，直接影響在熱翻轉發生前可以達到的最高輸出功率。

　　一個了解大信號時域VCSEL調製響應的關鍵方式是小信號S21的響應分析，圖2顯示7.5毫安下所測得最新28Gbit/s設計，以及使用在安華高16G光纖信道收發器模塊中14G VCSEL的小信號調製-3dB帶寬頻率相對於VCSEL溫度的關係。


圖1 5℃到90℃不同溫度下28Gbit/s氧化VCSEL晶片的典型LI曲線

　　7.5毫安偏壓電流下、5℃到90℃溫度範圍內，28G VCSEL所測得帶寬大於18.5GHz，與f-3dB的模擬效能吻合，28G VCSEL在相同偏壓條件與溫度下可以提供比14G VCSEL高5GHz的帶寬。如前面提到，該設計目標為整體效能的優化，特別是可能因寄生與熱效應造成限制的高溫下帶寬。

　　圖2顯示，在7.5毫安偏壓電流下，5℃到90o溫度範圍內，f-3dB帶寬的變化不超過1.5GHz。圖3則進一步描述了S21響應的細節，也就是在VCSEL溫度於75-90℃時，f-3dB帶寬相對於偏壓電流的關係，其中f-3dB帶寬在7毫安時，開始飽和並在約9毫安達到最高。進一步的S參數分析顯示，最大f-3dB帶寬限制在20GHz，主要因較高接面溫度下的電氣寄生效應及諧振頻率的飽和。圖4則顯示25℃下所測得小信號S21調製響應相對於偏壓電流的關係，室溫下12毫安偏壓電流組件帶寬超過23GHz，縱使其針對高溫效能進行優化亦然。


圖2 氧化VCSEL在7.5毫安偏壓電流下小信號f-3dB帶寬相對於VCSEL溫度的關係，所有組件孔徑大小約為7微米(μm)


圖3 溫度分別為75℃與90℃時f-3dB帶寬相對於偏壓電流的關係


圖4 溫度為25℃時小信號調製響應相對於偏壓電流的關係

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　　雖然研究指出，可由較小孔徑達成較快的組件，但在組件上所要達成的一個設計目標是將運作時的電流密度降到最低，也就是更好的可靠度。最新的設計透過維持與現有14G VCSEL相同的孔徑大小與工作電流，帶來更佳的帶寬而不會對組件造成過大壓力。

　　雖然VCSEL帶寬以及相關的上升與下降時間，對於多模光纖的連線是基本要求，但在決定多模光纖連線的穩固度上還有其他考慮，例如頻譜寬度(Spectral Width)及相對噪聲強度(Relative Intensity Noise, RIN)就必須進行探討並解決，以確保低位錯誤率的傳輸。

　　圖5顯示7.5毫安偏壓電流下28G VCSEL的光學頻譜，此組件設計與氧化層可用來將光學指數降到最低，並優化電流限制已取得高帶寬以及大約0.3nm的頻譜寬度，這個窄頻譜寬能夠降低長距離光纖傳輸的色度色散效應。

　　相對噪聲強度可能是光連線功率的一個主要限制因素，並且會降低信噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)且提高位錯誤率(Bit Error Rate, BER)，因而影響到系統的效能，相對噪聲強度強烈受到VCSEL特性與外部因素，如回波反射和光電轉換後的光學與電氣濾波器特性影響，為了能夠將通信連線優化，必須精確地對相對噪聲強度的特性進行分析。


圖5 7.5毫安偏壓電流下的頻譜密度

　　測量相對噪聲強度的一個挑戰是，將相對於測量信號的示波器噪聲降到最低，在VCSEL相對噪聲強度測量中使用了不含濾波器的17GHz帶寬安捷倫86105D 20GHz光學示波器，測試安排與方法可參考


圖6 7.5毫安偏壓電流下相對噪聲強度的測量值，使用無濾波器的20Gb光學示波器。


圖7 (a) 7.5毫安偏壓電流5℃時以及(b) 7.5毫安偏壓電流75℃時於裸晶片層的25Gbit/s典型眼圖

　　圖6顯示28G VCSEL的相對噪聲強度測量值，所有受測組件都低於-140dB/Hz。使用PBRS31數據模型測得的大信號眼圖測量於延伸溫度範圍內進行，圖7(左)與圖7(右)顯示分別為5℃與75℃時使用安立知(Anritsu)MP1800A BERT模型產生器於裸晶片層的25Gbit/s典型眼圖結果。

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　　以安華高特有雷射驅動器的28Gbit/s收發器模塊典型眼圖為例，在常用的7.5毫安偏壓電流下，已可達到39%高屏蔽裕度以及5dB的消光比，展現出28Gbit/s VCSEL的卓越交流效能表現。

　　可用解決方案陸續出籠

　　直接調製850nm VCSEL為短距離高速數據通信應用的關鍵技術，廠商已經開發出優化的28Gbit/s VCSEL產品以滿足32G光纖信道應用，並支持0～85℃溫度範圍的收發器模塊運作，這個28Gbit/s VCSEL使用安華高已經大量生產的10G/14G VCSEL製程製造。而VCSEL收發器模塊的大信號眼圖顯示，在整個工作溫度範圍下卓越高速效能，對於28G VCSEL的壽命可靠度研究分析也已經展開，初步的結果顯示可以在70℃時達到超過10年以上的工作壽命，使得它們成為商業產品的可用解決方案。

　　(本文作者Jingyi Wang、Mark Keever、Zheng-Wen Feng、Tom Fanning、Chen Chu、Aadi Sridhara、Friedhelm Hopfer、Terry Sale、An-Nien Cheng、Bing Shao、Li Ding、Pengyue Wen、Hsu-Hao Chang、Charlie Wang、David Chak Wang Hui、Laura Giovane皆任職於安華高科技)

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