研究了波長為1.55um的基于InP的垂直腔面發(fā)射激光器（VCSELs），其調(diào)制帶寬和溫度特性得到了改善惜论。利用改進(jìn)的有源區(qū)许赃、熱設(shè)計(jì)和降低芯片寄生，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)85℃的10GHz優(yōu)越調(diào)制帶寬馆类。新的VCSEL器件與我們的參考設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)比較混聊，分析了所有帶寬限制元素。這些vcsel在恒定輸出功率下具有更好的溫度范圍和Min的溫度變化閾值乾巧，特別適合無源光網(wǎng)絡(luò)中的非冷卻工作句喜。這種設(shè)備的潛在比特率有望達(dá)到12.5甚至17Gb/s，從而實(shí)現(xiàn)城域范圍內(nèi)具有成本效益的100-G以太網(wǎng)解決方案卧抗。
1.55μmvcsel與增強(qiáng)調(diào)制帶寬和溫度范圍-調(diào)制性能與高溫操作
調(diào)制性能
由于光學(xué)諧振腔中的載流子和光子密度非常高，內(nèi)部調(diào)制行為表現(xiàn)出更高的阻尼泳秀，因此低寄生對VCSELs尤為重要标沪。因此，VCSELs的特點(diǎn)是具有較小的松弛振蕩超調(diào)嗜傅，可以補(bǔ)償寄生滾轉(zhuǎn)金句。在圖3中，可以在很寬的溫度范圍內(nèi)確定優(yōu)越的調(diào)制性能吕嘀。如圖3(a)所示违寞，3dB帶寬在25℃時超過12GHz，在55℃時為11GHz偶房，在85℃時為10GHz趁曼，如圖3(b)所示。散點(diǎn)代表測量數(shù)據(jù)棕洋，而繪制的穿過線擬合到公式(1)挡闰，可以提取如圖4所示的內(nèi)在參數(shù)。在這里掰盘，我們展示了先前和改進(jìn)設(shè)計(jì)的阻尼率與共振頻率fR平方的關(guān)系摄悯，提取了-因子和阻尼偏移。通過速率方程分析愧捕，我們可以發(fā)現(xiàn)如下的相互關(guān)系：
包括光子壽命奢驯、約束因子、增益次绘、增益導(dǎo)數(shù)和隨載流子和光子密度的變化叨橱、載流子損耗和自發(fā)產(chǎn)生的光子速率典蜕。
圖3 1.55um VCSEL的小信號調(diào)制性能断盛，提高了調(diào)制帶寬和溫度范圍罗洗。在25℃時，超過12ghz的調(diào)制帶寬可以被描述為(a)钢猛，甚至在85℃的高溫下(b)10ghz的調(diào)制帶寬可用伙菜。
由于參考激光器和VCSEL具有相同的芯片布局，僅改變了外延特性命迈，我們可以推斷出更高的應(yīng)變和模態(tài)增益偏移明顯提高了差分增益贩绕，從而將K因子從0.4ns降低到0.3ns，從而提高了阻尼極限壶愤。盡管在室溫下增加了阻尼偏移淑倾，但調(diào)制性能，特別是在較高溫度下征椒，明顯優(yōu)于參考激光器娇哆。
圖4 導(dǎo)出了新設(shè)計(jì)與參考設(shè)計(jì)的k因子比較
低阻尼和高帶寬是通過降低k系數(shù)和適度的阻尼偏移來實(shí)現(xiàn)的，適用于所有相關(guān)的工作溫度勃救。
高溫操作
所研究的VCSEL不是針對某一固定溫度下的峰值性能設(shè)計(jì)的碍讨，而是針對非冷卻運(yùn)行進(jìn)行了優(yōu)化，具有優(yōu)越的恒定性能蒙秒。在參考設(shè)計(jì)中勃黍，8GHz調(diào)制帶寬似乎是85℃時的極限。如圖3(b)所示晕讲，3dB帶寬現(xiàn)在在85℃時高達(dá)10GHz覆获。
此外，對于經(jīng)典的分布式反饋激光器瓢省，在一定偏置電流下的輸出功率強(qiáng)烈依賴于熱沉溫度弄息，需要對激光功率進(jìn)行監(jiān)測和閉環(huán)控制，從而提高了激光封裝的成本净捅。如圖5所示疑枯，VCSEL峰值功率隨溫度線性下降，但對于給定的驅(qū)動電流（例如蛔六，在這種情況下為5mA）幾乎保持恒定荆永，使激光功率保持在1mW左右。此外国章，5mA的調(diào)制帶寬足以在0-85℃的溫度范圍內(nèi)達(dá)到10Gb/s具钥，這是通過優(yōu)化35nm的模式增益偏移來實(shí)現(xiàn)的，從而在60℃時產(chǎn)生Min閾值電流Ith液兽。
圖5 VCSEL輸出的溫度特性——功率骂删、閾值電流和調(diào)制帶寬掌动。單模功率和帶寬幾乎恒定在5毫安驅(qū)動電流，冗余監(jiān)控二極管宁玫。
結(jié)論
在這封信中粗恢，我們展示了具有改進(jìn)的高速和高溫性能的1.55umBTJ-VCSELs。通過重新設(shè)計(jì)興奮劑水平欧瘪，內(nèi)部寄生現(xiàn)象已經(jīng)大大減少眷射。通過精心設(shè)計(jì)的模式增益偏移和改進(jìn)的材料增益，可以實(shí)現(xiàn)高溫操作佛掖。高應(yīng)變量子阱的高微分材料增益也可以提高內(nèi)部弛豫振蕩頻率妖碉。在室溫下，我們提出了創(chuàng)紀(jì)錄的高于12GHz的調(diào)制帶寬芥被，在85℃時降至10GHz欧宜，這將使數(shù)據(jù)速率分別達(dá)到17Gb/s，100-G以太網(wǎng)為12.5Gb/s拴魄。
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