來自喬治華盛頓大學的研究人員開發(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)傳輸應用，需要高調(diào)制帶寬。但是VCSEL的3 dB帶寬受熱效應、寄生電阻、電容和非線性增益效應（例如張弛振蕩）的限制。因此，利用有源區(qū)和RC寄生的適當設計，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，光反饋已被證明可以增加VCSEL的調(diào)制帶寬。

由于非線性光學放大效應（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，從而具有更高的設計自由度。按照這種耦合腔方案，可以預期在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)高速和高功率的關鍵。此外，這種設計的優(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（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的新穎設計。在這種方法的成功基礎上，研究人員證明了與非耦合傳統(tǒng)設計相比，3-dB滾降激光調(diào)制帶寬（受實驗設置限制的> 45 GHz）高了五倍。

該論文的合著者、該技術的發(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)絡發(fā)展，而且還應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用鋪平了道路，例如相干的Ising機器?！?/p>

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