本文提出了调制带宽超过17GHz且极低寄生的1.55μm短腔VCSELs。这些设备是第1个长波VCSELs，能够在4.2公里标准单模光纤上以25Gb/s的速度进行无差错数据传输。
1.55μm高速vcsels可实现高达25Gbit/s的无差错光纤传输
不断发展的用于接入网和城域网的100G-以太网解决方案支持高单通道数据速率，特别是25Gb/s，以保持较低的系统成本。对于这样的链路，垂直腔表面发射激光器（VCSELs）具有高数据速率和低成本光源，功耗预算小，迄今为止只能在850nm至1100nm的波长范围内使用。由于在这些波长下只能实现短距离的光互连，因此在1.3μm和1.55μm波长的高速VCSELs的开发上已经投入了大量的努力，并且稳步改进。
在本文中，我们报告了使用1.55μm高速VCSEL在4.2km标准单模光纤上以25Gb/s的数据速率进行无错误数据传输。睁开眼睛的速度高达25Gb/s。这种出色的调制性能基于极低的器件寄生和创纪录的3dB截止频率，这两者都是应用短腔（SC）高速设计的结果。
短腔VCSEL：设计和静态性能
图1.a)为SC-VCSEL布局示意图。如前期研究所示，使用具有高折射率对比的两层介质反射镜，可以缩短有效腔长，缩短光子寿命，提高弛豫共振频率，降低本征阻尼。为了减少接触垫寄生，使用苯并环丁烯（BCB）作为钝化剂。在量子阱中引入压缩应变，可以降低透明载流子密度，提高（差分）增益，从而实现高速运行。为了降低空间电荷区的寄生电容，降低了InP-regrowth层的掺杂水平，从而有力地降低了器件的寄生。
对于有源直径为5μm的器件，室温下的光输出功率超过2mw，80℃时的光输出功率超过0.8mW（图1.b）。应该指出的是，由于减少了散热量，在大信号调制下，热滚转转移到更高的电流。阈值电流分别低至1ma和2ma。由于这些器件的高耦合效率高达60%，因此可以实现高光纤耦合功率幅值。频谱显示单模工作，侧模抑制比在滚转电流下超过40dB。
图1 (a)短腔VCSEL截面示意图
(b)25°C和80°C时的l-i特性；25℃下的光谱，IDC=14mA
(c)室温下不同电流下的小信号调制响应
当电流IDC=12.4mA时，达到3db截止频率为17GHz
小信号和大信号调制性能
S参数测量采用中描述的设置。图1.c)绘制了室温工作时s21参数过调制频率。在本征和热阻尼可以忽略不计的低电流状态下观察到明显的共振峰，从而揭示了优异的器件寄生性。寄生截止频率高达23GHz。在接近热滚转的偏置电流中，3dB截止频率达到17GHz，由于热阻尼和固有阻尼的增加，共振得到了强烈的抑制。因此，与典型的DFB激光器相比，我们得到了一个相当平坦的调制响应，具有明显的共振峰。因此，没有强调制超调和数据速率超过DFB激光器的典型估计预期。
为了证明我们的期望，我们以25Gb/s的数据速率进行了大信号实验。这些器件在没有任何色散补偿的情况下耦合到4.2km标准单模光纤（SMF）上。耦合是主动稳定的。为了更好地调整误码率测试设备的决策电平，我们使用了高带宽光电探测器，信号通过掺铒光纤放大器（EDFA）进行预放大。为了突出调制下的偏振稳定性，我们使用了特殊的保偏EDFA。因此，在该方案中，极化翻转将意味着一个比特误差。给定的接收功率是在EDFA放大之前，并且仍然不受激光的限制，因为在这种情况下将需要第二个EDFA。
如图2.a)所示，在伪随机比特序列（PRBS）为27-1、数据速率为25Gb/s的条件下，实现了4.2kmSMF和背靠背（BTB）的无差错数据传输。器件在室温下分别以12.5mA和12mA的偏置电流工作。两种情况下调制幅度Vpp均选择0.42V。在误码率为10-9时，误码率（BER）损失为1.5dB。相应的开眼图如图2.b)和c)所示。BTB配置的信噪比为5.5，光纤传输的信噪比为3.6。
图2 1.55μm高速VCSEL在25℃、PRBS为27-1、25gb/s条件下的无差错数据传输
(a) BTB和4.2km光纤链路的ber测量
（b,c）以25gb/s的速度进行4.2公里光纤连接和BTB
我们提出了1.55μm高速VCSELs，具有新颖的短腔设计，在光纤链路上实现了超过17GHz的创纪录高小信号调制带宽和25Gb/s的数据速率。因此，这些设备可以很好地作为100G以太网解决方案中独特的低成本和高数据速率激光源。
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