850nm波长的多模垂直腔面发射激光器（VCSEL）和多模光纤（MMF）因其低功耗和成本效益，成为数据中心和超算系统短距离光互连的理想选择。然而，随着数据中心流量的增长，单通道100Gbps及更高传输速率的需求增加，尤其在支持多媒体网络、云计算等应用时更为显著。高传输速率要求多模光纤在相同距离上具备更高的模式色散控制，增加了优化难度和成本。相比之下，单模VCSEL与单模光纤的组合避免了模式色散问题，能够实现更高效且成本更低的传输，是更具经济性的选择。
近日，清华大学深圳国际研究生院常瑞华院士团队提出了一种基于啁啾高对比度超构结构（chirped HCM）的单模VCSEL设计。该设计通过采用单层啁啾高对比度超构结构取代传统的多层DBR反射镜，通过空间梯度反射率有效抑制高阶模式，仅激发基模，从而实现了更优的模式选择性，同时简化了VCSEL结构。
图1 基于啁啾高对比度超构结构的单模VCSEL示意图
图2 基于啁啾高对比度超构结构的单模VCSEL芯片SEM图像
研究团队设计的单模VCSEL在不同温度和电流条件下展现出卓越的功率输出和光谱稳定性（图3）。测试显示，VCSEL在25°C、50°C和75°C的宽温度范围内均能保持稳定的输出功率，且在光束模式上表现良好，确保了高效的模式控制能力。进一步测试结果表明，在2-8mA电流和5-75°C的工作温度下，边模抑制比（SMSR）均超过40dB，这使其在模式选择性和稳定性方面具有显著优势，适合对输出稳定性要求高的短距离高速光互连应用。
图3 基于啁啾高对比度超构结构的单模VCSEL的功率输出和光谱稳定性测试
此外，团队还对该VCSEL进行了频率响应、RIN（相对强度噪声）和高速眼图的测试（图4）。结果显示，该VCSEL在高频范围内保持了良好的频率响应特性，确保了高速数据传输的稳定性。在不同电流条件下，VCSEL的相对强度噪声（RIN）整体表现优异，RIN的峰值在高频范围内基本低于-130dB/Hz，满足高速传输对低噪声水平的要求，保障了信号质量的稳定性。在53Gbps和106Gbps PAM4高速传输测试中，VCSEL的眼图清晰且开口良好，符合IEEE 802.3db™-2022标准，验证了其在高数据速率下的信号完整性和低噪声特性，展示了该设计在数据中心和超算系统短距离光互连应用中的巨大潜力。
图4 基于啁啾高对比度超构结构的单模VCSEL的频率响应、噪声性能和眼图测试
相关研究成果以 “单模啁啾高对比度超构垂直腔面发射激光器，速率达每秒106吉比特的四电平脉冲幅度调制”(Single-Mode Chirped High-Contrast Metastructure VCSEL for 106 Gbps PAM4 Transmission)为题发表于《光学》(Optica）期刊。
清华大学深圳国际研究生院2021级博士研究生崔尧为论文的第一作者，常瑞华院士为通讯作者。研究得到了深圳市科技计划、深港科技创新合作区项目以及广东省重点人才引进项目的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1364/OPTICA.539252
