中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
人工智能大模型的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迫切需要單通道100Gbps及更高傳輸速率的數(shù)據(jù)互聯(lián)技術(shù)。傳統(tǒng)的多模VCSEL+多模光纖技術(shù)，憑借低功耗和高性價(jià)比，已廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)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(yōu)勢(shì)的傳輸方案。
近日，清華大學(xué)常瑞華院士團(tuán)隊(duì)提出一種基于啁啾高對(duì)比度超結(jié)構(gòu)（chirped High-Contrast Metastructure, chirped HCM）的850nm單橫模垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）芯片，實(shí)現(xiàn)了106 Gbps PAM4傳輸速率。該設(shè)計(jì)提出chirped HCM作為VCSEL的頂部反射鏡，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(qiáng)度分布更好地匹配，從而有效抑制高階模式，最終實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、穩(wěn)定的單橫模激光輸出。這一設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)多層分布式布拉格反射鏡（DBR）相比，不僅具備優(yōu)異性能，而且簡(jiǎn)化了制造工藝，非常適合量產(chǎn)。
研究團(tuán)隊(duì)對(duì)加工完成的 chirped HCM VCSEL結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的結(jié)構(gòu)分析。芯片的掃描電鏡（SEM）圖像驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性和工藝的均勻穩(wěn)定性。該技術(shù)后續(xù)將導(dǎo)入批量生產(chǎn)。
研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的單模VCSEL在不同溫度和電流條件下展現(xiàn)出優(yōu)異的功率輸出特性和光譜穩(wěn)定性。測(cè)試結(jié)果表明，該VCSEL在25°C、50°C和75°C的溫度范圍內(nèi)能夠保持穩(wěn)定的輸出功率，同時(shí)在光束模式方面表現(xiàn)出良好的模式控制能力。進(jìn)一步測(cè)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(xiàn)了其在模式選擇性和穩(wěn)定性方面的顯著優(yōu)勢(shì)。這些特性使其能夠滿足短距離高速光互連應(yīng)用對(duì)輸出穩(wěn)定性的嚴(yán)格要求。
此外，團(tuán)隊(duì)對(duì)該VCSEL的頻率響應(yīng)、相對(duì)強(qiáng)度噪聲（RIN）以及高速眼圖進(jìn)行了全面測(cè)試和分析。測(cè)試結(jié)果顯示，該VCSEL在高頻范圍內(nèi)保持優(yōu)異的頻率響應(yīng)特性，能夠穩(wěn)定支持高速數(shù)據(jù)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(xiàn)了卓越的低噪聲性能和傳輸穩(wěn)定性。在53Gbps和106Gbps PAM4高速傳輸測(cè)試中，眼圖輪廓清晰，完全符合IEEE 802.3db?-2022標(biāo)準(zhǔn)，充分驗(yàn)證了其在高數(shù)據(jù)速率下的信號(hào)完整性和低噪聲特性。這些測(cè)試結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)中心和超算系統(tǒng)短距離光互連中具有廣泛應(yīng)用的潛力。
相關(guān)研究成果以“單模啁啾高對(duì)比度超構(gòu)垂直腔面發(fā)射激光器，速率達(dá)每秒106吉比特的四電平脈沖幅度調(diào)制”（Single-Mode Chirped High-Contrast Metastructure VCSEL for 106 Gbps PAM4 Transmission）為題，發(fā)表于《光學(xué)》（Optica）雜志，并被選為2024年11月的封面，體現(xiàn)了國(guó)際學(xué)術(shù)界對(duì)這一技術(shù)在短距離高速光通信領(lǐng)域創(chuàng)新價(jià)值的認(rèn)可。
