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(jì)錄的快速時(shí)間帶寬。通過組合多個(gè)橫向耦合腔體可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),從而增強(qiáng)了激光器的光反饋。VCSEL已成為在數(shù)據(jù)中心和超級(jí)計(jì)算機(jī)中實(shí)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(jiǎn)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(dú)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(dú)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(duì)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(jì),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(jì)。由于需要仔細(xì)管理激光器內(nèi)部的反饋,因此研究人員通過組合多個(gè)耦合腔來引入一種多反饋方法。該設(shè)計(jì)旨在增強(qiáng)稱為“慢光”的光反饋,從而將時(shí)間激光帶寬(速度)擴(kuò)展到弛豫振蕩頻率的極限之外。該創(chuàng)新是突破性的,因?yàn)閬碜悦總€(gè)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(jì)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(jì)成促進(jìn)耦合腔之間相對(duì)于中心激光腔的絕熱光能共享(如圖1)。由于其絕熱設(shè)計(jì),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(shí)實(shí)現(xiàn)高速和高功率的關(guān)鍵。此外,這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于避免了級(jí)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(zhǔn)的45 GHz小信號(hào)測(cè)量測(cè)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(gè)六角形反饋腔的980nm VCSEL的新穎設(shè)計(jì)。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(jì)相比,3-dB滾降激光調(diào)制帶寬(受實(shí)驗(yàn)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(gè)發(fā)明是及時(shí)的,因?yàn)閷?duì)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(jī)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(jī)器?!?/p>
快速,強(qiáng)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:?jiǎn)讨稳A盛頓大學(xué)
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。