Advances in the technology of 850 nm high-speed vertical cavity surface emitting lasers (Invited)

短距离光互连在大数据中心和超级计算机技术发展中具有重要的作用^[1]。垂直腔面发射激光器(VCSEL)因为其具有低成本、低阈值、高速率和低功耗等优点，成为了短距离光互连的核心光源，主要波长为850 nm。近年来该类激光器在新一代信息技术发展需求的牵引下，发展迅速。单芯片直接调制3 dB带宽达到30 GHz，脉冲幅度调制(PAM)可达到100 Gbps速率，在多通道、可插拔、100-400 Gbps光模块中得到了广泛应用。然而，面向未来更高带宽和速率的需求，850 nm VCSEL也面临着新的挑战。

文中从理论和进展出发，讨论和总结了850 nm VCSEL带宽限制因素和速率提升方法，并对未来技术发展进行展望。介绍了VCSEL的带宽限制因素，从VCSEL的调制带宽和先进的编码调制技术入手，对850 nm VCSEL近年来速率研究进展进行了总结，最后对850 nm VCSEL技术发展趋势进行了展望。

如图1所示，VCSEL是由上、下布拉格反射镜（DBR）、有源区、电流限制层、上下电极组成，VCSEL DBR反射镜间的有源区光学厚度为λ/2的整数倍，上下DBR镜通常为P型和N型掺杂，光输出方向垂直于晶圆表面。为降低电容，常用的是苯丙环丁烯（BCB）绝缘介质进行填平来制作共面电极^[2]。为了进行有效的注入电流控制，常在有源区与DBR间制备氧化孔。

Figure 1.  Schematic diagram of VCSEL

VCSEL的调制带宽限制主要来自于其内部本征带宽限制和外部寄生效应。VCSEL的小信号调制可通过传递函数来表示：

公式（1）是由本征传递函数与电寄生效应引入的传递函数相乘得出的。其中f_P为寄生截止频率，f_R为弛豫振荡频率，理想激光器f_R的弛豫振荡频率可表示为注入载流子和生成的光子之间相互作用的动力学：

其中，

式中：${}^{\partial g}\!\!\diagup\!\!{}_{\partial n} $为量子阱的微分增益；$ \chi $=1+${\tau }_{\rm s}/{\tau }_{\rm e}$为传输系数，${\tau }_{\rm s}$为通过腔未掺杂部分进入有源区量子阱时间，τ_e为有源区热传输发射时间；V_p为光子占据的腔体积；Γ为光限制因子；ν_g为光子的群速度；q为电荷；I_th为阈值电流。调制频率随电流变化的反应速率（即：D因子）决定了理想激光器的调制速度，由此可以通过增大D因子来增大调制速率。提高D因子的方法主要有：（1）增大光限制因子；（2）减小有源区体积；（3）增加有源区微分增益。电流孔径的减小可减小有源区体积，增大D因子。

H(f)本质上是一个二阶低通滤波器，其阻尼谐振位于截止频率附近。在f_R之下强度调制一直都与电流调制一致，在弛豫谐振处该响应得到增强。在谐振点之上，该响应急剧降低。根据阻尼的大小，该谐振的实际峰值频率f_p略低于f_R。${f}_{3\;{\rm{dB}}}$是电功率响应降低到其直流值一半时的频率，在弱阻尼下该频率略高于f_R。可知通过增加光子密度或输出功率可以使f_R增加。该增加将一直持续到光子密度接近$ \dfrac{1}{\varepsilon } $为止，这时由于增益压缩，微分增益略有减小。阻尼因子γ为：

其中，

γ₀是由于自发辐射对激光模的贡献而引起的偏移。最大的可实现带宽被弛豫振荡阻尼所限制，当f_p=0，且$ {f}_{\rm{R}}={f}_{3\;{\rm{dB}}} $时，阻尼最佳且带宽最大。该点由K因子决定，K因子确定了激光器的本征调制带宽能力。减小K因子的方法主要有：(1) 增大有源区介质的微分增益，可以通过使用InGaAs或InGaAlAs量子阱来代替GaAs量子阱实现；(2) 减小光子寿命τ_p，可用通过调整顶层相位来实现^[2-3]。

寄生效应是限制VCSEL高速特性的另一个重要因素。寄生主要分为内部寄生与电极寄生两部分。

以典型的氧化限制型VCSEL为例，其横截面示意图与寄生如图2所示。极板电容C_p表示从探头端到金属触点的信号与地之间的电容。C_p的值根据极板的布局和极板之间的材料不同，从几十fF到几百fF不等。现在最常用的填平材料是聚酰亚胺和苯丙环丁烯(BCB)，比使用二氧化硅填平所带来的极板电容要小很多。极板电阻R_p是极板损耗的原因。由于它在欧姆范围内，通常相对较小，在小信号模型中有时被忽略。极板电容C_p要尽力优化到最小，而极板电阻R_p要做到最大，这样能够有效阻止电流流经它们^[3]。镜面电阻R_mirr包括上下DBR的电阻。它包括了在偏置点处异质结的净微分阻抗。N-DBR由于材料的损耗和电阻性低，所以减小寄生电阻主要是针对P-DBR，可以通过DBR缓变层的各种带宽带隙工程方案来实现低电阻^[4-5]，对于氧化限制型VCSEL，也可以采用腔内接触的(部分)未掺杂半导体反射镜来实现^[6-7]。但腔内接触结构仍然存在很多问题，例如电流注入的均匀性，有源区附近的高掺杂接触层的光损耗和侧向电阻等。R_sheet表示n-接触层中的薄层电阻，R_cont表示所有接触的接触电阻。所有这些电阻中镜面电阻R_mirr占最大部分，在小信号模型中，可以组合成${R}_{\rm m}$=${R}_{\rm mirr}$+${R}_{\rm sheet}$+${R}_{\rm cont}$。台面电容C_mesa是电流孔径下内部区域的串联氧化物电容。台面电容C_mesa取决于台面和孔径的直径以及氧化物和本征半导体层的厚度。电容C_j表示电流流过的孔径区域的二极管结电容。在正常的正向偏置条件下，C_j通常由扩散电容控制，它模拟了存储在固有的分离限制型异质结构中的少数载流子的调制。结果表明，扩散电容不仅与载流子寿命有关，而且与分离限制型异质结构的设计有关^[3]。

Figure 2.  Resistance and capacity model of VCSEL

VCSEL调制速率的提升，一方面可以通过提高VCSEL的调制带宽来实现，另一方面可以通过先进的编码调制技术来实现。VCSEL调制带宽的提升可以从本征和寄生两方面入手，本征上主要有提高微分增益、调节光子寿命、提高光限制因子这三方面。寄生上主要是降低电阻和电容。先进的调制编码技术包括多脉冲幅度调制、无载波幅度相位调制和离散多音调制^[8]。其中多脉冲幅度调制(PAM)是所有调制里复杂性和成本最低的。脉冲幅度调制的定义是：把周期性脉冲序列看作正弦载波，用模拟信号对它进行振幅调制。其通过二进制映射可以直接实现$ {\rm{log}}_{2}N $倍的速率提升，非常适合低成本的VCSEL多模光纤（MMF）光互连。

传统的调制方式为不归零（NRZ）调制，即采用高、低两种信号电平来表示要传输的数字逻辑信号（0，1），每个传输的符号可以传输1 bit的逻辑信息。因为只有两个幅度电平也被称为NRZ。对于PAM(N)来说，N代表符号中可能的信号电平数，符号率D随之降低$ {\rm{log}}_{2}N $倍，若所需的数据速率为R，则$ D= R∕{\rm{log}}_{2}N $。PAM4调制采用4个信号电平（11，10，00，01）来进行信号传输，因此其每个传输的符号可以表示两个bit的逻辑信息，即频谱效率为2 bit/(second·Hz)⁻¹。如图3所示。PAM8采用8个不同的信号电平（000，001，010，011，100，101，110，111）来进行信号传输。PAMN虽然提高了频谱效率，然而，增加电平数量必然导致对信噪比的要求更加苛刻^[9-11]。

Figure 3.  (a) NRZ signal waveform and (b) PAM4 signal waveform

对于NRZ调制，从提高微分增益、调节光子寿命和降低寄生来分别阐述。

(1) 提高微分增益

提高微分增益主要依靠使用应变量子阱材料来实现。2002年，T.Aggerstam^[12]在量子阱中加入一定量的铟（10%或更少），采用InGaAs/AlGaAs量子阱，相对于GaAs/AlGaAs量子阱，其微分增益增加了一倍，12 μm孔径的多模850 nm VCSEL，80 ℃下其调制速率为10 Gbit/s。2009年，Westbergh^[13]采用应变InGaAs/AlGaAs量子阱和双氧化层，氧化孔径为9 μm，室温下实现了32 Gbit/s无误码传输，其阈值电流为0.6 mA，其斜率效率0.8 W/A，它对应的微分量子效率约为55%。2009年，柏林工业大学(TUB)^[14]在VCSEL中采用InGaAlAs有源区和优化掺杂，氧化孔径为9 μm器件，室温下实现了39 Gbit/s的无误码率传输。2010年，查尔姆斯理工大学(CUT)^[15]采用双层氧化限制层和InGaAs量子阱，电流孔径直径为7 μm的VCSEL，室温下实现40 Gbit/s无误码传输，其阈值电流为0.4 mA。2012年，CUT的Larrson研究组^[16]采用In_0.1Ga_0.9As/Al_0.37Ga_0.63As量子阱实现了室温下3 dB带宽为28 GHz，44 Gbit/s的无误码率传输。2016年，伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校(UIUC)的Feng研究组^[17]，采用In_0.072Ga_0.928As/Al_0.37Ga_0.63As量子阱，并通过4层低Al含量的氧化层减小寄生电容以及使用AlAs作为散热层，实现了带宽为28.2 GHz、速率为50 Gbit/s的无误码传输。

(2) 调节光子寿命

光子寿命的减小一般通过调节反向层厚度、缩短腔长来实现，2012年，CUT的Larrson研究组^[16]通过调整反向层厚度，缩短腔长到半波长，调节光子寿命，改善了载流子输运并且提高了光限制因子，其制备了2~11 μm的氧化孔。实现了室温下3 dB带宽为28 GHz，速率为44 Gbit/s的无误码率传输。2016年，采用CUT的VCSEL器件，IBM与Finsar报道了一个NRZ调制71 Gb/s的传输速率^[18]。2015年，CUT^[19]通过将主氧化物孔放置在量子阱两侧光场的第一个节点处，增大了光限制。通过3.5 μm电流孔径的850 nm VCSEL实现了室温下带宽高达30 GHz，50 Gbit/s的传输速率。其阈值电流为0.25 mA。2018年，UIUC^[20]通过采用$ \lambda /2 $短腔、五个量子阱和4.7 μm的氧化孔径，实现了室温下3 dB带宽最高约为25 GHz，同时25 ℃下可在100 m OM4光纤上传输46 Gbit/s的无误码传输。同年，国立台湾大学的研究组^[21]，设计制备了λ/2短腔850 nm VCSEL，其氧化孔径为3.3 μm，阈值电流为0.8 mA，在不使用预加重、均衡和前向纠错的情况下，室温下实现了3 dB带宽为25 GHz以及50 Gbit/s的无误码率传输。

(3) 降低寄生

由于器件越来越小，串联电阻和寄生电容成为限制其高速性能的一个主要因素，减小寄生电容电阻能够增加寄生截至频率。1997年，Y.C.Chang^[7]使用GaAs/AlGaAs量子阱实现了带宽超过20 GHz的VCSEL。这个器件的高速是通过低寄生实现的，其采用离子注入和5 μm厚的聚酰亚胺进行填平制作共面电极，减小器件寄生电容。极板电容为42 fF，极板串联电阻为28.3 $ {\Omega } $。2002年，T. Aggerstam^[12]通过离子注入顶层DBR方式来减小氧化层电容。2009年，Westbergh^[13]采用无掺杂衬底、双氧化物孔和带隙设计的DBR来降低寄生，其串联电阻大约90 Ω。氧化孔直径为9 μm的850 nm VCSEL在室温下实现了32 Gbit/s无误码传输。2010年，CUT^[15]采用双层氧化限制层与InGaAs量子阱，电流孔径直径为7 μm的850 nm VCSEL，在室温下实现了40 Gbit/s无误码传输，其阈值电流为0.4 mA，串联电阻130 Ω。2012年，CUT的Larrson研究组^[16]采用了4层低Al含量的AlGaAs氧化层减小寄生效应，实现了室温下3 dB带宽为28 GHz，速率为44 Gbit/s的无误码率传输。2013年，CUT^[22]为了减小寄生电容，在有源区上的P侧生长了两个主氧化层与四个二级氧化层。使用3 dB带宽为24 GHz的VCSEL完成了57 Gbit/s的无误码传输。同年，NCU的Shi研究组hi研究组^[23]对850 nm氧化限制型VCSEL采用腐蚀氧化层，降低寄生效应以及Zn扩散制作孔径减小谱宽和微分电阻，实现了41 Gbit/s的传输速率，其微分电阻为100 Ω。2016年，UIUC研究组^[17]在850 nm VCSEL中采用双氧化层和4层低Al含量的AlGaAs氧化层减小寄生效应，在n型DBR中引入二元系AlAs层实现高效散热，其差分电阻约53 Ω。报道的VCSEL实现了3 dB带宽为28.2 GHz以及50 Gbit/s的无误码传输，如图4所示。2018年，北京邮电大学(BUPT)^[24]通过对顶部DBR进行湿法刻蚀，优化器件的阻尼，设计制备了850 nm VCSEL，实现了小信号调制带宽为16.37 GHz，如图5所示。

Figure 4.  (a) Top view of the VCSEL device with ground-signal-ground (GSG), (b) SEM image of the cross section of VCSEL. The dark lines are the oxidized high Al-composition layers in the p-DBR stack^[17]

Figure 5.  Schematic diagram of cross-section of high speed VCSEL, (b) image of fabricated VCSEL^[24]

在图6中显示了近年来VCSEL带宽的研究进展，如图所示，通过优化本征的方式已实现最大带宽为30 GHz。通过减小寄生的方式已实现最大带宽为28.2 GHz，实际上很多时候两种方式是同时使用的。

Figure 6.  Progress of VCSEL bandwidth

单位符号承载的信息量翻倍意味着若要实现与NRZ同样的信号传输能力，PAM4信号的符号速率只需要达到NRZ信号的一半即可，这大大降低了链路的带宽需求。并且传输通道中的符号间干扰由于符号速率的下降对其造成的损耗大大减小。2011年，CUT的Larsson研究组^[25]使用12.5 Gbit/s和15 Gbit/s的850 nm VCSEL，通过PAM4调制，实现了在200、300 m的多模光纤上25 Gbit/s和30 Gbit/s的传输速率。接着分别于2013年、2015年、2016年实现了60^[26]，70^[10]，94 Gbit/s^[27]的链路速率，速率的提高得益于电子手段的引入和光探测器的改进。2015年，CUT^[28]通过PAM4调制实现了48.7 Gbit/s的850 nm链路。2016年，又实现了60 Gbit/s的链路速率^[29]。同年，OFS公司^[30]采用多路复用技术，在接收误码率在1×10⁻⁶的情况下，通过PAM4调制，实现150 m以上51.5625 Gbit/s的传输速率。华沙理工大学(WUT)^[31]通过PAM4调制，在超过100 m多模光纤中成功实现了108 Gbit/s的传输。2017年，佐治亚理工学院(GT)的Lavrencik小组^[32]运用PAM4调制以及脉冲整型，通过使用30 GHz的VCSEL器件以及传输器均衡、脉冲响应，在不使用前向纠错的情况下实现了100 Gbit/s的无误码传输。2018年，中国国立台湾大学(NTU)^[33]，在预加重PAM4格式的波形后，通过单模VCSEL在背对背、长100 m OM4多模光纤下成功实现传输速率64 Gbit/s的数据流。2018年，GT的J.Lavrencik等人^[34]使用已经成熟的调制速率为28 Gbit/s的850 nm VCSEL，在不使用前向纠错或接受均衡调制下，通过PAM4调制，在超过100 m的OM5链路中实现84 Gbit/s数据传输。2019年，TUB的Urs Hecht等人^[35]，运用PAM4调制，通过使用28 GHz的850 nm VCSEL前向反馈均衡实现了80 Gbit/s无误码传输。2020年，中国国立台湾大学^[36]，使用氧化孔径为5.5 μm的850 nm VCSEL，通过PAM4调制实现100米OM5多模光纤80 Gbit/s速率传输。

在图7中显示了近年来VCSEL的PAM4调制进展，由图可见，PAM4调制速率最大已实现108 Gbit/s，调制速率主要集中在50~100 Gbit/s，PAM4技术已经相对成熟，调制速率集中在这个范围内的一个因素是VCSEL的光功率限制。

Figure 7.  Progress of PAM4 modulation speed of 850 nmVCSEL

总结来说，PAM4相对于NRZ来说，实现了更高的调制速率，但代价也很明显，在相同比特率条件下，PAM4的灵敏度会比NRZ差3.3 dB。这意味着相同条件下，PAM4链路需要更多的光功率才能达到足够低的误码率^[37]。

近年来，PAM-8调制的研究多了起来，2013年，CUT^[11]使用850 nm VCSEL通过PAM8调制和OM4多模光纤，在超过100 m的传输距离上实现了高达35.2 Gbit/s的数据速率传输，这是实验上首次实现PAM8调制。2017年，苏黎世联邦理工学院(ETH)^[38]通过OM3多模光纤在25，75，125 m距离分别实现了108，99，90 Gbit/s的传输速率。这些速率是通过使用850 nm多模VCSEL实现的。2019年，上海交通大学(SJTU)^[39]利用商品级的850 nm VCSEL，在多模光纤链路上进行实验研究，通过100 m的OM3光纤传输，使用二元概率成形方式的PAM8调制实现了75 Gbit/s的传输速率。

在图8中显示了近年来VCSEL的PAM8调制进展，由图可见，PAM8调制速率最大已实现108 Gbit/s。PAM8技术相对于NRZ、PAM4来说还有很多问题亟需解决。

Figure 8.  Progress of PAM8 modulation speed of 850 nm VCSEL

总结来说，多脉冲幅度调制要实现同样的信号传输能力，PAM8与PAM4相对NRZ来说，降低了链路对带宽的要求，并且传输通道中的符号间干扰由于符号速率的下降对其造成的损耗大大减小。但同时，它们的灵敏度会比NRZ调制的差，需要更多的光功率才能达到足够低的误码率。

文中主要从调制带宽和PAM技术这两方面讨论了VCSEL高速的原理和进展。总之，提高VCSEL带宽的主要方法有调节光子寿命、减小有源区体积减小寄生。PAM技术相对于其他调制技术具有简单、低成本的特点，是提高传输速率的有效手段。VCSEL现今制造出的NRZ最大调制带宽为30 GHz，所制备出的最大PAM4、PAM8调制速率分别为94 Gbit/s、108 Gbit/s。未来，VCSEL速率的进一步提高，在器件方面，依靠高速器件可靠性的提升来实现，在调制方面，依靠提出更先进的调制技术来实现。