研究了波長(zhǎng)為1.55um的基于InP的垂直腔面發(fā)射激光器（VCSELs）蜒简，其調(diào)制帶寬和溫度特性得到了改善。利用改進(jìn)的有源區(qū)漩仙、熱設(shè)計(jì)和降低芯片寄生搓茬，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)85℃的10GHz優(yōu)越調(diào)制帶寬。新的VCSEL器件與我們的參考設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)比較队他，分析了所有帶寬限制元素卷仑。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，特別適合無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)中的非冷卻工作麸折。這種設(shè)備的潛在比特率有望達(dá)到12.5甚至17Gb/s锡凝，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。
1.55μmvcsel與增強(qiáng)調(diào)制帶寬和溫度范圍-設(shè)備結(jié)構(gòu)
內(nèi)部帶寬超過(guò)20GHz的垂直腔面發(fā)射激光器（VCSELs）在近紅外光譜中發(fā)射約850nm衬浑。然而捌浩，這個(gè)波段只能用于短距離；因此工秩，長(zhǎng)波長(zhǎng)高速VCSELs的開發(fā)一直在不斷努力尸饺，并不斷改進(jìn)。
特別是具有埋地隧道結(jié)（BTJ）的長(zhǎng)波VCSELs已顯示出良好的效果和創(chuàng)紀(jì)錄的高調(diào)制帶寬助币。在討論100-G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)浪听，建議采用8×12.5Gb/s、6×17Gb/s和4×25Gb/s的并行方法眉菱，由于成本問(wèn)題迹栓，更傾向于采用更高的串行帶寬。7~8GHz的調(diào)制帶寬足以滿足10Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸俭缓；因此克伊，10GHz、13GHz和19GHz的激光帶寬需要實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率华坦，這應(yīng)該是一個(gè)具有成本效益的設(shè)備愿吹，在長(zhǎng)波長(zhǎng)和高達(dá)85℃的高溫下進(jìn)行非冷卻操作。
在本文中惜姐，我們展示了我們zui近開發(fā)的改進(jìn)的高速長(zhǎng)波長(zhǎng)BTJVCSELs犁跪，其帶寬高達(dá)85℃。
設(shè)備結(jié)構(gòu)
本研究所采用分子束外延法在InP襯底上生長(zhǎng)了所研究的激光器歹袁。高速1.55umVCSEL結(jié)構(gòu)是其他高速器件的改進(jìn)版本坷衍，具有優(yōu)化的有源區(qū)域、失諧宇攻、鏡像反射率和摻雜水平惫叛。激光芯片的示意圖如圖1所示。BCB用作低介電常數(shù)鈍化逞刷，以實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行。
外延輸出鏡由32對(duì)無(wú)基波吸收的InGaAlAs和InAlAs組成妻熊。為了在高溫下實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行和足夠的增益夸浅，有源區(qū)由7個(gè)厚度為6納米的重應(yīng)變InAlGaAs量子阱組成。在接近臨界層厚度的邊緣處扔役，將應(yīng)變調(diào)整為壓縮應(yīng)變的2.5%（擬晶）帆喇。這將提高增益和差分增益，從而實(shí)現(xiàn)低閾值電流和高弛豫振蕩頻率亿胸。模式增益偏置針對(duì)高溫行為進(jìn)行了優(yōu)化坯钦。因此预皇，可以得到負(fù)T0值，即該器件在60℃散熱器溫度時(shí)閾值電流Min低婉刀。這種效應(yīng)是由增益和腔模在溫度上的不同紅移引起的吟温。由于BTJ允許消除幾乎所有具有較高電阻和光損耗的p導(dǎo)電材料，差分串聯(lián)電阻已達(dá)到40-50Ω突颊，非常適合高速器件鲁豪。
圖1 高速1.55um基于inp的BTJVCSEL的示意圖。
該裝置安裝在電鍍金假襯底上律秃。在制造過(guò)程中去除InP襯底爬橡。
n-觸點(diǎn)和p-觸點(diǎn)都可以在頂部訪問(wèn)。觸點(diǎn)板電容被Min化棒动。
寄生設(shè)備
由于我們的VCSEL的寄生響應(yīng)可以通過(guò)一階等效電路很好地建模糙申，包含松弛振蕩頻率，固有阻尼和寄生滾降的三極濾波器函數(shù)可以很好地建模我們的VCSEL響應(yīng)船惨，允許提取幾個(gè)固有參數(shù)柜裸。公式(1)中的常數(shù)項(xiàng)為激光器和探測(cè)器的量子效率差
盡管參考其他設(shè)計(jì)中的器件在芯片直徑為28um時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的高速性能，但參考設(shè)計(jì)的寄生極對(duì)于40um器件的帶寬限制為6.7GHz掷漱，如圖2(a)所示粘室。在改進(jìn)后的設(shè)計(jì)中，寄生電容顯著降低卜范，寄生滾降頻率和調(diào)制帶寬分別約為7GHz和9GHz衔统，如圖2(b)所示。這是通過(guò)減少BTJ旁邊的阻塞二極管的摻雜水平從5到
17cm-3來(lái)實(shí)現(xiàn)的海雪，從而產(chǎn)生更寬的空間電荷區(qū)域和更小的寄生電容锦爵。
圖2 不同偏置條件下不同InP過(guò)生長(zhǎng)設(shè)計(jì)下直徑為40um的大芯片vcsel的小信號(hào)調(diào)制性能。這里只描述符合公式(1)的曲線擬合
(a) 在我們之前的設(shè)計(jì)中奥裸，1.55um的VCSEL孔徑為5um险掀，芯片直徑為40um，導(dǎo)致寄生限制帶寬僅為6.7GHz
(b)具有改進(jìn)過(guò)生長(zhǎng)設(shè)計(jì)的VCSEL湾宙，減少摻雜以降低寄生電容樟氢。一個(gè)顯著增強(qiáng)的帶寬為9Ghz
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