光通信系統的VCSEL技術

2021-01-07 電子工程專輯


VCSEL的歷史，也是在諸多學者機構的努力下，其性能不斷優化的歷史，在這幾十年的歷史中，IGA及其帶領的團隊起到了不可磨滅的作用，可以堪稱IGA教授為VCSEL之父。


隨著VCSEL的諸多優點，其應用也越來越廣泛。並且為了適合這些應用，VCSEL也朝著多個方向在各自發展，如圖1所示，為其主要應用：

不同波長VCSEL應用領域


由於目前VCSEL最主要應用在光傳輸方面，基於1979年Soda等人的VCSEL為開端，VCSEL的發展，主要經歷了2個階段：


第一階段：從VCSEL誕生到20世紀末，蠻荒發展階段。 


在這個階段，各個組織機構都提出以及嘗試了各種不同結構類型的VCSEL，最終氧化物限制型VCSEL由於其諸多優點而勝出。


1994年，Huffaker等人率先採用在臺面結構（Mesa）下本徵氧化AlGaAs，生成掩埋高阻層Al氧化物的方式，來對電流進行進一步的限制。利用這種結構，閾值電流可以降低到225uA。而這種結構就是目前普遍採用的氧化物限制型（Oxide-confined）結構的原型；

首個氧化物限制型VCSEL


2013年，Iga對VCSEL的關鍵指標如閾值電流、調製帶寬與有源區的關係給出了簡單的關係公式：

VCSEL的閾值電流同其他半導體雷射器一樣，與有源區體積有如下關係式：

 

由公式可以看出，為了降低閾值電流，就需要不斷減小有源區體積。比較當前的VCSEL與條狀雷射器的有源區體積，可以發現，VCSEL的V=0.06um3， 條狀雷射器依然在V=60um3， 這就是為什麼條狀雷射器的閾值電流典型值仍舊在幾十mA的級別，而VCSEL的閾值電流已經達到了亞毫安級別。


第二階段：逐漸發展成熟階段及優化階段。


由於氧化物限制型的VCSEL具有低閾值電流等很多優點，這種結構的VCSEL被很快運用到了光通信中。


由於高的工作電流可以帶來更好的調製特性，但同時也會相應的增加功耗，進而帶來溫度的上升，會對可靠性帶來影響。調製速率與功耗成了VCSEL在光傳輸領域中重要的挑戰。2007年，Y-C.Chang等人採取增加深氧化層層數到5層以及增加p型摻雜濃度來降低串聯阻抗的方式，在0.9mA電流下實現的15GHz調製帶寬，相應的功耗只有1.2mW，帶寬/功耗比只有12.5GHz/mW,是當時最先進水平。VCSEL截面結構如圖所示：

深氧化層氧化物限制型VCSEL


利用相同的VCSEL結構，同年，Y-C.Chang等人又實現了35Gbps的無誤碼傳輸。


2011年，Petter Westbergh等人研究了850nm氧化物限制型VCSEL光子壽命與諧振頻率及調製速率的關係，並指出在高諧振頻率以及低阻尼震蕩中取得一個折衷來提高速率：當光子壽命接近3ps時，可以使VCSEL的調製帶寬達到23GHz，同時可以得到40Gb/s的無誤碼傳輸。


近年來，各個興趣小組對於高速率、低功耗的VCSEL研究依然興趣不減，圖10是截止到2015年，各機構的研究成果。可以看出，如果採用預加重的方式，目前VCSEL背靠背傳輸可以達到71Gbit/s。

短波長VCSEL光互聯領域發展近況


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