研究了波長為(wei) 1.55um的基於(yu) InP的垂直腔麵發射激光器（VCSELs），其調製帶寬和溫度特性得到了改善。利用改進的有源區、熱設計和降低芯片寄生，可實現高達85℃的10GHz優(you) 越調製帶寬。新的VCSEL器件與(yu) 我們(men) 的參考設計進行了詳細比較，分析了所有帶寬限製元素。這些vcsel在恒定輸出功率下具有更好的溫度範圍和Min的溫度變化閾值，特別適合無源光網絡中的非冷卻工作。這種設備的潛在比特率有望達到12.5甚至17Gb/s，從(cong) 而實現城域範圍內(nei) 具有成本效益的100-G以太網解決(jue) 方案。
1.55μmvcsel與(yu) 增強調製帶寬和溫度範圍-調製性能與(yu) 高溫操作
調製性能
由於(yu) 光學諧振腔中的載流子和光子密度非常高，內(nei) 部調製行為(wei) 表現出更高的阻尼，因此低寄生對VCSELs尤為(wei) 重要。因此，VCSELs的特點是具有較小的鬆弛振蕩超調，可以補償(chang) 寄生滾轉。在圖3中，可以在很寬的溫度範圍內(nei) 確定優(you) 越的調製性能。如圖3(a)所示，3dB帶寬在25℃時超過12GHz，在55℃時為(wei) 11GHz，在85℃時為(wei) 10GHz，如圖3(b)所示。散點代表測量數據，而繪製的穿過線擬合到公式(1)，可以提取如圖4所示的內(nei) 在參數。在這裏，我們(men) 展示了先前和改進設計的阻尼率與(yu) 共振頻率fR平方的關(guan) 係，提取了-因子和阻尼偏移。通過速率方程分析，我們(men) 可以發現如下的相互關(guan) 係：
包括光子壽命、約束因子、增益、增益導數和隨載流子和光子密度的變化、載流子損耗和自發產(chan) 生的光子速率。
圖3 1.55um VCSEL的小信號調製性能，提高了調製帶寬和溫度範圍。在25℃時，超過12ghz的調製帶寬可以被描述為(wei) (a)，甚至在85℃的高溫下(b)10ghz的調製帶寬可用。
由於(yu) 參考激光器和VCSEL具有相同的芯片布局，僅(jin) 改變了外延特性，我們(men) 可以推斷出更高的應變和模態增益偏移明顯提高了差分增益，從(cong) 而將K因子從(cong) 0.4ns降低到0.3ns，從(cong) 而提高了阻尼極限。盡管在室溫下增加了阻尼偏移，但調製性能，特別是在較高溫度下，明顯優(you) 於(yu) 參考激光器。
圖4 導出了新設計與(yu) 參考設計的k因子比較
低阻尼和高帶寬是通過降低k係數和適度的阻尼偏移來實現的，適用於(yu) 所有相關(guan) 的工作溫度。
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計的，而是針對非冷卻運行進行了優(you) 化，具有優(you) 越的恒定性能。在參考設計中，8GHz調製帶寬似乎是85℃時的極限。如圖3(b)所示，3dB帶寬現在在85℃時高達10GHz。
此外，對於(yu) 經典的分布式反饋激光器，在一定偏置電流下的輸出功率強烈依賴於(yu) 熱沉溫度，需要對激光功率進行監測和閉環控製，從(cong) 而提高了激光封裝的成本。如圖5所示，VCSEL峰值功率隨溫度線性下降，但對於(yu) 給定的驅動電流（例如，在這種情況下為(wei) 5mA）幾乎保持恒定，使激光功率保持在1mW左右。此外，5mA的調製帶寬足以在0-85℃的溫度範圍內(nei) 達到10Gb/s，這是通過優(you) 化35nm的模式增益偏移來實現的，從(cong) 而在60℃時產(chan) 生Min閾值電流Ith。
圖5 VCSEL輸出的溫度特性——功率、閾值電流和調製帶寬。單模功率和帶寬幾乎恒定在5毫安驅動電流，冗餘(yu) 監控二極管。
結論
在這封信中，我們(men) 展示了具有改進的高速和高溫性能的1.55umBTJ-VCSELs。通過重新設計興(xing) 奮劑水平，內(nei) 部寄生現象已經大大減少。通過精心設計的模式增益偏移和改進的材料增益，可以實現高溫操作。高應變量子阱的高微分材料增益也可以提高內(nei) 部弛豫振蕩頻率。在室溫下，我們(men) 提出了創紀錄的高於(yu) 12GHz的調製帶寬，在85℃時降至10GHz，這將使數據速率分別達到17Gb/s，100-G以太網為(wei) 12.5Gb/s。
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