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20.2 mW！單模VCSEL功率效率刷新記錄
12/11
2024
Photonics?Research?2024年第9期文章：
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Yao Xiao, Pei Miao, Jun Wang, Heng Liu, Yudan Gou, Zhicheng Zhang, Bangguo Wang, Wuling Liu, Qijie Wang, Guoliang Deng, Shouhuan Zhou, "Twenty-milliwatt, high-power, high-efficiency, single-mode, multi-junction vertical-cavity surface-emitting lasers using surface microstructures," Photonics Res. 12, 1899 (2024)
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研究背景
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隨著人工智能技術的快速發展，高速數據中心已經成為支撐人工智能、大數據分析、云計算和5G網絡等前沿技術的關鍵基礎設施。目前數據中心大量使用多模垂直腔面發射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL）作為短距離高速光通信的核心技術，這是因為多模VCSEL具有成本低、能耗小等優點，適用于高密度的光互連。然而，隨著更高數據速率（超過100 Gbps）的需求不斷提升，多模VCSEL因模式色散、帶寬限制和信號噪聲等劣勢難以滿足要求。現有的方法在單模的模式增益體積擴展和表面微結構對橫向模式的控制能力方面面臨挑戰，這限制了單橫模VCSEL功率和效率的突破。單模VCSEL的發展歷程如表1所示，從表中可以看出，自2006年以來，單模VCSEL的功率發展比較緩慢，一直維持在10 mW左右，且電光轉換效率也比較低。
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表1?單模VCSEL的發展歷程
近年來在高速通信領域，隨著PAM4+調制方案的采用，功率的重要性愈發凸顯；人工智能技術的快速發展導致數據吞吐量大幅增加，使得器件能耗問題也成為關鍵關注點。因此，研究具有低成本、高功率、高效率、低發散角等特點的單模VCSEL對推動高速光通信的發展具有至關重要的意義。
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研究亮點
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首先，該工作在保持低閾值的工作條件下，對比了低反射率輸出鏡的多結VCSEL和高反射率輸出鏡單結VCSEL的表面相位層厚度變化對反射率的調控能力。如圖1所示，模擬實驗結果表明9對p-DBR多結VCSEL設計的反射率變化高達20%，其表面結構調制能力遠大于傳統單結VCSEL設計。
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圖1 (a) 6結VCSEL示意圖；(b)?單結VCSEL的p-DBR示意圖；(c) 多結VCSEL的p-DBR示意圖；(d)?不同DBR對數下輸出鏡反射率與表面相位層Si3N4厚度的關系
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接著，該工作基于前期構建的實現了超高效率突破的多結VCSEL模型（Light Sci Appl 13, 60, 2024)，分析了基于表面相位層厚度的單結與多結VCSEL的閾值增益變化，以及基于單結單模VCSEL現有水平的多結VCSEL效率擴展特性。如圖2所示，結果表明，隨著表面Si3N4厚度的變化，反射率變化幅度的不同會導致兩類VCSEL的最大閾值增益存在明顯差異，其中多結VCSEL的最大閾值增益約為單結VCSEL的2倍。實現單模VCSEL的核心思路是增大高階模與單模的閾值增益差值，從而使得在一定工作條件范圍內保持單模工作，但目前大部分方法基于各種表面微結構，使得模場分布集中在發光孔徑外側的高階模具有更大的損耗。因此，該工作首次揭示了多結VCSEL在保持低閾值工作的同時能夠增強表面微結構對高階模式的調制能力，提出的方法能夠顯著增加高階模式與基模之間的閾值增益差異，從而在更大的范圍實現高階模。多結VCSEL的擴展特性模擬實驗表明高功率單模VCSEL的效率有望超過60%。
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圖2?19對p-DBR單結和9對p-DBR 6結VCSEL，(a)?表面Si3N4光學厚度與閾值增益的關系；(b)?多結VCSEL功率轉換效率擴展特性
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隨后，該團隊制備了不同尺寸的表面浮雕結構的6結VCSEL樣品并進行了光電特性表征，結果如圖3所示。6結VCSEL在連續電流驅動下實現了20.2 mW的激光輸出功率，邊模抑制比大于35 dB，對應的電光轉換效率為42%，發散角為9.8°。近場光斑表明其為單基模激光工作模式。據團隊研究人員所知，在室溫連續工作的條件下，這是迄今為止單個VCSEL的最高單模功率，且功率值幾乎是已知記錄的兩倍。此外，該方法只需在VCSEL的表面進行簡單的微米級氮化硅刻蝕，無需特殊光刻工藝和復雜的工藝流程，保障了單模VCSEL的高可靠性和低成本優勢。
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圖3 (a) L-I-V曲線；(b) SR=1 μm時不同電流下的光譜圖；(c) 20.5 mW時的近場圖；(d) 20.5 mW時的遠場光斑圖；(e) 20.5 mW時的遠場發散角
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總結與展望
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