基于NRZ调制的40 Gbit/s无误码高速850 nm VCSEL设计与制备

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40Gbit/s和30 Gbit/s。

高峰值功率808nm垂直腔面发射激光器列阵

为了实现808 nm垂直腔面发射激光器(VCSEL)的高功率输出,对808 nm VCSEL的分布式布拉格反射镜(DBR)结构材料进行了优化设计,分析了AlxGa1-xAs材料中Al组分对于折射率与吸收的影响,并最终确定了材料。采用非闭合环结构制备了2×2 VCSEL列阵。通过波形分析法对VCSEL列阵的功率进行了测量:在脉冲宽度为20 ns、重复频率为100 Hz、注入电流为110 A的条件下,最大峰值功率为30 W;在脉冲宽度为60 ns、重复频率为100 Hz、注入电流为30 A的条件下,最大功率为9 W。对列阵的近场和远场进行了测量,激光器垂直发散角和水平发散角半高全宽分别为16.9°和17.6°。

808nm垂直腔面发射激光器列阵的温度特性分析

为了研究温度对808 nm InGaAlAs垂直腔面发射激光器(VCSEL)列阵输出特性的影响,通过变温塞耳迈耶尔方程计算了InGaAlAs量子阱VCSEL的温度漂移系数。采用非闭合环结构,制备了2×2的808 nm垂直腔面发射激光器列阵,每个单元的出光口径为60μm。通过热沉温度调节,对不同温度下的列阵激射波长、光功率以及阈值电流进行了测量。在温度为20℃、脉宽为50μs、重复频率为100 Hz的脉冲条件下,列阵的最大输出功率达到56 mW,中心光谱值为808.38 nm,光谱半宽为2.5 nm,连续输出功率达到22 mW。通过变温测试,发现输出功率在50℃以上衰减剧烈,列阵的温漂系数为0.055 nm/℃。实验测得的温漂系数与理论值保持一致。

高功率底发射VCSELs的制作与特性研究

研究制作了大面积底发射氧化限制面发射激光器,并分析了器件特性。通过增加有源区面积,改进制作工艺,采用Al2O3作钝化膜和多层复合HfO2作增透膜等方法,提高了激光器输出功率。分析了最大输出功率与有源区直径和注入电流之间的依赖关系。结果表明:有源区直径分别为500μm和600μm的单管,室温下均达到连续输出功率1.95W,这也是目前国际上所实现的单管室温连续输出最高功率;实验所得最大输出功率与有源区直径和注入电流之间的依赖关系与理论计算所得结果一致。并特别讨论了直径200μm的器件的近场和远场光强分布,获得单横模工作。

扰动信号强度对VCSEL光子神经Spiking动力学特性的影响

理论研究了外部光注入下1 300nm-VCSEL光子神经的spiking动力学特性.VCSEL在足够强的连续光注入下工作在稳定的注入锁定态;在注入光中引入扰动信号后,当扰动信号强度较小时,VCSEL不能激发spike信号;一旦扰动信号强度达到一定水平,VCSEL将激发出稳定的、可重复的spike信号,且spike信号的幅值和形状几乎不随扰动信号强度的变化而变化,但其响应速率却随扰动信号强度的增加而增大.VCSEL光子神经的这种阈值响应特性与生物神经的全或无响应特性类似,但其响应速率却比生物神经快约8个量级.

自绝缘氧化限制型850nm垂直腔面发射激光器

介绍了一种制作氧化限制型垂直腔面发射激光器的新途径,自绝缘工艺。采用该工艺制作了氧化限制型850nm VCSELs。详细地介绍了自绝缘器件的工作原理和制作流程,并对侧氧化相关参数进行了实验研究。在此基础上,制备了不同出光孔径的850nm VCSELs器件,测得出光孔径12μm的器件最大输出功率达到10mW,微分量子效率达到43%。对不同出光孔径的器件输出特性进行了对比,并分析了产生输出特性差异的原因。

光注入下VCSEL在阈值电流附近的非线性响应特性

实验研究了光注入下1 300nm-VCSEL在阈值电流附近的非线性响应特性.研究结果表明,在平行光注入下,激光器输出功率随注入功率的增加呈现出非线性变化.当失谐频率较大时,激光器输出功率将随注入功率增加到一定值后突然下降,然后再缓慢增加.通过连续增加或减小外部注入光功率,激光器的输出功率将出现呈逆时针变化的双稳环;正交光注入下VCSEL的输出特性与平行光注入下的情况类似,且在连续增加或减小外部注入光功率的过程中能观察到呈顺时针变化的双稳环.

可变偏振光注入下1550nm垂直腔面发射激光器的偏振开关及双稳特性

基于自旋反转模型,研究了可变偏振光注入1550 nm垂直腔面发射激光器(VPOI-1550 nm-VCSEL)的偏振开关(PS)及双稳(PB)特性.研究结果表明:对于一自由运行的1550 nm-VCSEL,在给定电流下,激光器中的平行偏振模式(Y偏振模式)激射,而正交偏振模式(X偏振模式)被抑制.引入可变偏振光注入后,在给定频率失谐?ν(定义为注入光与X偏振模式之间的频率差异)的条件下,当注入光偏振角θ_p(定义为注入光的偏振方向与自由运行1550 nm-VCSEL中主导偏振模式的夹角)足够大时,正向扫描(逐渐增加)注入光功率可观察到1550 nm-VCSEL发生Ⅰ类PS,反向扫描(逐渐减小)注入光功率可使1550 nm-VCSEL产生Ⅱ类PS,且两类PS的开关点要求的注入功率不一致,即出现PB现象.对于一确定的频率失谐?ν,随着θ_p的增加,Ⅰ类、Ⅱ类PS开关点对应的注入功率以及PB区宽度都呈现减小的趋势,且|?ν|值越大,尽管Ⅰ类PS的开关点所需注入功率更大,但PB区域更宽;在给定注入功率,对于特定?ν,通过正向及反向扫描θ_p也可观察到VPOI-1550 nm-VCSEL输出功率呈现的PS以及PB现象.当|?ν|较小时,发生Ⅰ类和Ⅱ类PS所要求的θ_p近似相同,因此PB区宽度较窄,而当|?ν|较大时,发生两类PS所需的θ_p以及PB宽度随?ν的变化曲线均呈现较大波动.因此,在1550 nm-VCSEL工作参数给定的条件下,通过调节可变偏振光注入的注入参量,可优化1550 nm-VCSEL呈现的PS及PB特性.

面向长距离通讯1550nm垂直腔面发射激光器的研究

采用InP基衬底设计并制备了1550 nm垂直腔面发射激光器。采用混合镜面布拉格发射镜,其中顶部采用4.5对硅和二氧化硅的介电布拉格反射镜,同时采用隧道结的方式降低p层载流子吸收。制备出阈值电流在20 mA,室温直流下输出光功率为7μW,激射波长为1554 nm,激射谱半高宽为3 nm的垂直腔面发射激光器。

1550nm垂直腔面发射激光器自旋反转模型中关键参量数值的实验确定

自旋反转模型是目前用于分析垂直腔面发射激光器(VCSELs)非线性动力学特性最常用的理论模型,因此该模型中相关参量的取值至关重要.本文基于对自由运行和平行光注入时1550 nm垂直腔面发射激光器(1550 nm-VCSELs)输出特性的实验测量结果,对描述1550 nm-VCSELs特性的SFM中光场衰减速率k、总载流子衰减速率γN、线宽增强因子α,有源介质双折射速率γp、自旋反转速率γs、有源介质线性色散速率γa等关键参量进行了估值.在此基础上,利用所测得的这些关键参量的数值,仿真了1550 nm-VCSELs的相关输出特性,所得结果与实验结果符合.

850nm VCSEL外延材料设计与生长

直腔面发射激光器(VCSEL)具有边发射半导体激光器不可比拟的优点,作为最早商业化的VCSEL器件,850nm VCSEL目前的应用领域已经相当广泛,但国内目前该领域仍处于起步状态,本文对850nm VCSEL外延材料各部分进行了分析和设计,并通过PICS3D(Photonic Integrated Circuit Simulator in 3D)等工具对于850nm VCSEL外延材料结构进行了模拟,用金属有机化合物气相外延(MOCVD)生长出了完整的材料结构,并对于材料测试结果和芯片测试结果进行了分析。

垂直腔面发射激光器DBR的生长优化

基于能带理论和分布布拉格反射镜(DBR)的工作原理,分析了垂直腔面发射激光器(VCSEL)中DBR串联电阻较大的原因。采用组分渐变降低DBR结构中异质结界面处势垒,优化DBR的各层掺杂浓度,通过调控费米能级进一步降低DBR中的异质结势垒,从而有效降低DBR串联电阻。实验采用Al_(0.22)Ga_(0.78)As/Al_(0.9)Ga_(0.1)As作为生长DBR的两种材料,设计了DBR各层厚度,研究了AlGaAs材料的最佳生长温度,利用MOCVD外延技术完成了795nm VCSEL突变DBR与渐变DBR的生长。经过工艺制备,测得突变DBR和渐变DBR的电阻分别为6.6和5.3Ω,优化生长后的DBR电阻得到有效降低。

VCSEL光子神经Spiking动力学的抑制特性研究

理论研究了外部扰动信号的强度和持续时间对1 300 nm-VCSEL光子神经spiking动力学抑制特性的影响.研究结果表明:VCSEL在适当的外部连续光注入下可工作在重复频率为亚纳秒级的连续spiking区;在引入外部扰动信号后,对于较小的扰动信号强度,VCSEL的spiking动力学抑制特性不受影响.随着扰动信号强度的增加,VCSEL在扰动信号作用区可激发出重复频率更低的spikes信号.当扰动信号强度达到一定水平后,VCSEL在扰动信号作用区激发的spikes信号可被有效抑制.此外,被抑制的spikes信号区与外部扰动信号的持续时间基本一致.对于一定的扰动信号强度和持续时间,VCSEL激发的spikes信号在扰动信号作用范围可被完全抑制.

高速1550 nm垂直腔面发射激光器研究进展

垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有生产成本低、调制速率高等优点,在光通信领域占有重要地位。随着数据需求量的飞速增长,在长距离信息传输中,具有低损耗的1550 nm波长的VCSEL引起了研究人员的兴趣。本文首先介绍了1550 nm VCSEL的结构,然后讨论了其带宽限制因素以及相应的改进方法,接着从NRZ(不归零)调制和PAM4(四电平脉冲幅度)调制两方面对近年来高速1550 nm VCSEL的研究进展进行了综述,最后展望了高速1550 nm VCSEL在未来光通信领域的发展和应用。

850nm VCSEL-TOSA及其在高速通信中的应用

高速、大数据容量传输和处理是光通信中的热点。10Gbit/s 850nm VCSEL-TOSA(垂直腔面发射激光器-传输光组件)是以太网和大数据处理中心所用的高速、短波长关键组件。文章介绍了实用化组件结构、芯片特点、技术指标及相关标准;报道了10Gbit/s 850nm VCSEL管芯高温加速寿命试验条件和结果;讨论了组件结构、工艺和环境温度变化对其性能的影响,指出了10Gbit/s 850nm VCSEL-TOSA在短途以太网和大数据收发、处理中心中的应用。

基于正交光注入增益开关850 nm-VCSEL获取双路宽带光学频率梳的方案

提出了基于正交光注入增益开关850 nm垂直腔面发射激光器(850 nm-VCSEL)获取梳距可调双路宽带光学频率梳(OFC)的方案,通过数值仿真研究了系统参量对OFC性能的影响。在该方案中,首先采用大信号电流调制850 nm-VCSEL使其呈增益开关状态,此时Y偏振分量激射并呈周期脉冲状态,而X偏振分量被抑制,可以获得一路偏振沿Y方向的OFC(Y-OFC);进一步引入偏振方向沿X方向的注入光(即正交光注入),在合适的注入参数条件下,增益开关850 nm-VCSEL中的X偏振分量被激射并呈周期脉冲动力学状态,且输出的X偏振分量具有与Y偏振分量强度相当的光谱分布,从而可以获得两路正交的OFC。数值仿真的结果表明:受到调制频率fm=4.2 GHz、调制深度m=0.75的大信号电流调制的850 nm-VCSEL,在频率失谐Δv=10.0 GHz的正交光注入下,通过选取合适的注入光场振幅Einj可使激光器输出带宽(功率变化在10 dB范围内)超过105.0 GHz的双路宽带OFC。借助于正交光注入下增益开关850 nm-VCSEL输出的X偏振分量和Y偏振分量的光谱分布,确定了获得双路OFC所需的Einj和Δv的范围。最后,通过分析其他调制频率下所获取的OFC性能,论证了该方案产生双路宽带OFC梳距的可调谐性。

高功率1550nm多结VCSEL的设计与仿真

在激光雷达应用场景下,高功率垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser,VCSEL)越来越受到关注。而在长波波段,1550 nm器件一直存在输出功率不够理想,功率转化效率低等问题。目前,多结VCSEL是获得高功率、高功率转换效率(power con-version efficiency,PCE)、高光功率密度、高斜率效率(slope efficiency,SE)的关键技术。本文将1550 nm VCSEL与多结技术结合,旨在设计出高功率的1550 nm器件,最终成功设计并仿真了不同直径(15μm、20μm、30μm、50μm、100μm)多结(1—4结)1550 nm的VCSEL器件。通过对比不同参数器件的输出功率,发现器件的输出功率随结数和直径的增加而增大,最大功率能达到2217 mW(4结100μm VCSEL)。并且仿真结果表明30μm VCSEL的输出特性相对较好:单结结构的SE优于50μm和100μm器件,为0.39 W/A;在多结结构中,30μm优于15μm和20μm的器件,分别为0.89 W/A(2结)、1.55 W/A(3结)、1.79 W/A(4结)。最后研究分析了30μm VCSEL PCE和远场分布,发现SE随结数增加而显著增加,最高为3结的40.4%,驱动电流只有1 A,这是单结PCE的6.2倍;3结的输出功率也高达1549 mW,而光束发散角单多结器件之间几乎没有差别,约为5°。以上结果为1550 nm VCSEL作为激光雷达系统和3D传感的光源应用提供了很好的器件研究基础。

940nm近红外VCSEL的宽温区光电特性研究

发光波长为940 nm的垂直腔面发射激光器(VCSEL),具有效率高、可避免红爆、易于集成等特点,在消费电子、视觉成像、3D传感等领域具有广阔的应用前景。然而,工作环境温度的变化,会影响VCSEL的光电性能。为了实现光电系统的宽温区工作,有必要研究VCSEL的光电特性随温度、工作电流的变化规律。本文针对单颗VCSEL芯片、24颗芯片并联阵列、多芯片集成并联阵列等3种典型的940 nm VCSEL,进行了变温电致发光特性研究。研究结果表明,芯片串联电阻随温度的变化而变化,对VCSEL的电特性产生重要影响,VCSEL发光波长的漂移与自发热效应有着重要联系。