來自喬治華盛頓大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種新的垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)，該激光器具有創(chuàng)紀錄的快速時間帶寬。通過組合多個橫向耦合腔體可以實現(xiàn)這一點，從而增強了激光器的光反饋。VCSEL已成為在數(shù)據(jù)中心和超級計算機中實現(xiàn)節(jié)能和高速光互連的重要方法。

垂直腔面發(fā)射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，簡稱VCSEL，又譯垂直共振腔面射型激光）是一種半導(dǎo)體，其激光垂直于頂面射出，與一般用切開的獨立芯片制程，激光由邊緣射出的邊射型激光有所不同。垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）是伴隨單片激光諧振器的半導(dǎo)體激光器的重要一類，鑒于其緊湊的尺寸和光電性能用作高速、短波通信和傳感器的光源，它們正變得越來越重要。近年來，VCSEL已被部署在半導(dǎo)體二極管激光器之外，成為具有成本效益的光纖鏈路和數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的來源。這是由于其獨特的功能，如高可靠性、低成本和高制造良率、低功耗、無縫封裝、低激射閾值和工作電流、高溫穩(wěn)定性以及密集陣列的直接制造。對于數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用，需要高調(diào)制帶寬。但是VCSEL的3 dB帶寬受熱效應(yīng)、寄生電阻、電容和非線性增益效應(yīng)（例如張弛振蕩）的限制。因此，利用有源區(qū)和RC寄生的適當(dāng)設(shè)計，其在高頻處繞過有源區(qū)外部的調(diào)制電流，可以獲得高調(diào)制帶寬。由于產(chǎn)生了光子-光子共振（PPR）效應(yīng)，光反饋已被證明可以增加VCSEL的調(diào)制帶寬。

由于非線性光學(xué)放大效應(yīng)（稱為增益弛豫振蕩），VCSEL的直接調(diào)制不能超過30 GHz。在該研究中，研究人員結(jié)合MTCC引入了革命性的新穎的VCSEL設(shè)計。由于需要仔細管理激光器內(nèi)部的反饋，因此研究人員通過組合多個耦合腔來引入一種多反饋方法。該設(shè)計旨在增強稱為“慢光”的光反饋，從而將時間激光帶寬（速度）擴展到弛豫振蕩頻率的極限之外。該創(chuàng)新是突破性的，因為來自每個腔的直接反饋僅需適度，并且可以通過耦合腔精確控制，從而具有更高的設(shè)計自由度。按照這種耦合腔方案，可以預(yù)期在100 GHz范圍內(nèi)產(chǎn)生調(diào)制帶寬。

MTCC垂直腔面發(fā)射激光器被設(shè)計成促進耦合腔之間相對于中心激光腔的絕熱光能共享（如圖1）。由于其絕熱設(shè)計，激光腔在參數(shù)上積累了光增益中增加的慢光部分，并使其可用于待調(diào)制的腔。在選擇性增益和調(diào)制功能之間建立功能空間分離是在單模工作中同時實現(xiàn)高速和高功率的關(guān)鍵。此外，這種設(shè)計的優(yōu)點在于避免了級聯(lián)傳輸控制鏈中累積的光損耗。

圖1. 六邊形橫向耦合腔垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）的示意圖結(jié)構(gòu)（a）頂視圖,（b）截面圖。

圖2. 研究人員制作的六邊形垂直腔面發(fā)射激光器和校準的45 GHz小信號測量測試裝置的俯視圖

總之，研究人員提出了一種絕熱且橫向耦合到六個六角形反饋腔的980nm VCSEL的新穎設(shè)計。在這種方法的成功基礎(chǔ)上，研究人員證明了與非耦合傳統(tǒng)設(shè)計相比，3-dB滾降激光調(diào)制帶寬（受實驗設(shè)置限制的> 45 GHz）高了五倍。

該論文的合著者、該技術(shù)的發(fā)明人Hamed Dalir博士表示，“這個發(fā)明是及時的，因為對數(shù)據(jù)服務(wù)的需求正在迅速增長，并朝著諸如6G之類的下一代通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，而且還應(yīng)用于汽車中的接近傳感器或智能手機的面部ID。此外，耦合腔系統(tǒng)為量子信息處理器中的新興應(yīng)用鋪平了道路，例如相干的Ising機器。”

快速，強大的緊湊型激光器：適用于下一代數(shù)據(jù)中心和傳感器的新型VCSEL。圖片來源：喬治華盛頓大學(xué)