研究了波长为1.55um的基于InP的垂直腔面发射激光器（VCSELs），其调制带宽和温度特性得到了改善。利用改进的有源区、热设计和降低芯片寄生，可实现高达85℃的10GHz优越调制带宽。新的VCSEL器件与我们的参考设计进行了详细比较，分析了所有带宽限制元素。这些vcsel在恒定输出功率下具有更好的温度范围和Min的温度变化阈值，特别适合无源光网络中的非冷却工作。这种设备的潜在比特率有望达到12.5甚至17Gb/s，从而实现城域范围内具有成本效益的100-G以太网解决方案。
1.55μmvcsel与增强调制带宽和温度范围-调制性能与高温操作
调制性能
由于光学谐振腔中的载流子和光子密度非常高，内部调制行为表现出更高的阻尼，因此低寄生对VCSELs尤为重要。因此，VCSELs的特点是具有较小的松弛振荡超调，可以补偿寄生滚转。在图3中，可以在很宽的温度范围内确定优越的调制性能。如图3(a)所示，3dB带宽在25℃时超过12GHz，在55℃时为11GHz，在85℃时为10GHz，如图3(b)所示。散点代表测量数据，而绘制的穿过线拟合到公式(1)，可以提取如图4所示的内在参数。在这里，我们展示了先前和改进设计的阻尼率与共振频率fR平方的关系，提取了-因子和阻尼偏移。通过速率方程分析，我们可以发现如下的相互关系：
包括光子寿命、约束因子、增益、增益导数和随载流子和光子密度的变化、载流子损耗和自发产生的光子速率。
图3 1.55um VCSEL的小信号调制性能，提高了调制带宽和温度范围。在25℃时，超过12ghz的调制带宽可以被描述为(a)，甚至在85℃的高温下(b)10ghz的调制带宽可用。
由于参考激光器和VCSEL具有相同的芯片布局，仅改变了外延特性，我们可以推断出更高的应变和模态增益偏移明显提高了差分增益，从而将K因子从0.4ns降低到0.3ns，从而提高了阻尼极限。尽管在室温下增加了阻尼偏移，但调制性能，特别是在较高温度下，明显优于参考激光器。
图4 导出了新设计与参考设计的k因子比较
低阻尼和高带宽是通过降低k系数和适度的阻尼偏移来实现的，适用于所有相关的工作温度。
高温操作
所研究的VCSEL不是针对某一固定温度下的峰值性能设计的，而是针对非冷却运行进行了优化，具有优越的恒定性能。在参考设计中，8GHz调制带宽似乎是85℃时的极限。如图3(b)所示，3dB带宽现在在85℃时高达10GHz。
此外，对于经典的分布式反馈激光器，在一定偏置电流下的输出功率强烈依赖于热沉温度，需要对激光功率进行监测和闭环控制，从而提高了激光封装的成本。如图5所示，VCSEL峰值功率随温度线性下降，但对于给定的驱动电流（例如，在这种情况下为5mA）几乎保持恒定，使激光功率保持在1mW左右。此外，5mA的调制带宽足以在0-85℃的温度范围内达到10Gb/s，这是通过优化35nm的模式增益偏移来实现的，从而在60℃时产生Min阈值电流Ith。
图5 VCSEL输出的温度特性——功率、阈值电流和调制带宽。单模功率和带宽几乎恒定在5毫安驱动电流，冗余监控二极管。
结论
在这封信中，我们展示了具有改进的高速和高温性能的1.55umBTJ-VCSELs。通过重新设计兴奋剂水平，内部寄生现象已经大大减少。通过精心设计的模式增益偏移和改进的材料增益，可以实现高温操作。高应变量子阱的高微分材料增益也可以提高内部弛豫振荡频率。在室温下，我们提出了创纪录的高于12GHz的调制带宽，在85℃时降至10GHz，这将使数据速率分别达到17Gb/s，100-G以太网为12.5Gb/s。
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