美国开发新型VCSEL激光器，带宽破纪录

来自乔治华盛顿大学的研究人员开发出一种新的垂直腔面发射激光器(VCSEL)，该激光器具有创纪录的快速时间带宽。通过组合多个横向耦合腔体可以实现这一点，从而增强了激光器的光反馈。VCSEL已成为在数据中心和超级计算机中实现节能和高速光互连的重要方法。

垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL，又译垂直共振腔面射型激光）是一种半导体，其激光垂直于顶面射出，与一般用切开的独立芯片制程，激光由边缘射出的边射型激光有所不同。垂直腔表面发射激光器（VCSEL）是伴随单片激光谐振器的半导体激光器的重要一类，鉴于其紧凑的尺寸和光电性能用作高速、短波通信和传感器的光源，它们正变得越来越重要。

近年来，VCSEL已被部署在半导体二极管激光器之外，成为具有成本效益的光纤链路和数据中心网络的来源。这是由于其独特的功能，如高可靠性、低成本和高制造良率、低功耗、无缝封装、低激射阈值和工作电流、高温稳定性以及密集阵列的直接制造。对于数据传输应用，需要高调制带宽。但是VCSEL的3 dB带宽受热效应、寄生电阻、电容和非线性增益效应（例如张弛振荡）的限制。因此，利用有源区和RC寄生的适当设计，其在高频处绕过有源区外部的调制电流，可以获得高调制带宽。由于产生了光子-光子共振（PPR）效应，光反馈已被证明可以增加VCSEL的调制带宽。

由于非线性光学放大效应（称为增益弛豫振荡），VCSEL的直接调制不能超过30 GHz。在该研究中，研究人员结合MTCC引入了革命性的新颖的VCSEL设计。由于需要仔细管理激光器内部的反馈，因此研究人员通过组合多个耦合腔来引入一种多反馈方法。该设计旨在增强称为“慢光”的光反馈，从而将时间激光带宽（速度）扩展到弛豫振荡频率的极限之外。该创新是突破性的，因为来自每个腔的直接反馈仅需适度，并且可以通过耦合腔精确控制，从而具有更高的设计自由度。按照这种耦合腔方案，可以预期在100 GHz范围内产生调制带宽。

MTCC垂直腔面发射激光器被设计成促进耦合腔之间相对于中心激光腔的绝热光能共享（如图1）。由于其绝热设计，激光腔在参数上积累了光增益中增加的慢光部分，并使其可用于待调制的腔。在选择性增益和调制功能之间建立功能空间分离是在单模工作中同时实现高速和高功率的关键。此外，这种设计的优点在于避免了级联传输控制链中累积的光损耗。 

图1. 六边形横向耦合腔垂直腔面发射激光器（VCSEL）的示意图结构（a）顶视图,（b）截面图。

图2. 研究人员制作的六边形垂直腔面发射激光器和校准的45 GHz小信号测量测试装置的俯视图

总之，研究人员提出了一种绝热且横向耦合到六个六角形反馈腔的980nm VCSEL的新颖设计。在这种方法的成功基础上，研究人员证明了与非耦合传统设计相比，3-dB滚降激光调制带宽（受实验设置限制的> 45 GHz）高了五倍。

该论文的合著者、该技术的发明人Hamed Dalir博士表示，“这个发明是及时的，因为对数据服务的需求正在迅速增长，并朝着诸如6G之类的下一代通信网络发展，而且还应用于汽车中的接近传感器或智能手机的面部ID。此外，耦合腔系统为量子信息处理器中的新兴应用铺平了道路，例如相干的Ising机器。”

快速，强大的紧凑型激光器：适用于下一代数据中心和传感器的新型VCSEL。