单模多孔阵列垂直腔面发射激光器(VCSEL)在高速数据传输中的应用

逍遥设计自动化

引言
引言：数据中心通信技术正在快速发展，主要由人工智能和基于GPU的计算应用需求推动。垂直腔面发射激光器（VCSEL）结合多模光纤（MMF）已经成为短距离通信的核心技术，可以有效支持从几米到100米以上的传输距离。随着人工智能工作负载不断增加，数据传输速率需求已达到100G/通道，甚至推进到200G/通道[1]。
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图1：光学显微镜图像显示了SM MA VCSEL的发光部分，四个孔径呈X形配置围绕中心圆排列。

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0 V4 c# O0 z. N( e( C2 ?1 o高速数据传输的挑战
传统多模VCSEL传输面临着固有的限制，这些限制源于光纤模态带宽和VCSEL与色散之间的复杂相互作用。在典型的发射条件下，当数据速率向IEEE 802.3 db标准化的100G/通道迈进时，这些限制变得更加明显。在推进到200G/通道传输时，即使是在OM4光纤上实现50米的传输也面临着重大技术挑战。

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/ R3 ^' ]" t$ W! S2 B  j' m! lSM MA VCSEL的性能特征

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图2：两个图表显示了(a) SM MA VCSEL的电压和输出功率特性，以及(b) SM MA VCSEL的光谱，展示了其窄谱线宽特性。
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2 V7 P' J  A, g% VSM MA VCSEL采用了精密的设计，包含四个850纳米氧化限制的VCSEL，这些VCSEL以10-12微米的间距排列成矩形图案。该配置实现了约0.1纳米的均方根谱线宽，同时保持了与多模VCSEL相当的输出功率和电阻值。该器件表现出优异的偏振稳定性，在室温下的S21测量值达到27 GHz，即使在85°C的高温下以8毫安偏置电流工作时，性能仅略微下降到25 GHz。四个孔径的总表面积经过精心设计，等效于单个6微米直径的圆形孔径，优化了器件效率的同时保持了出色的模态特性。

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实验设置和测量方法

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4 j: q  H( J4 n. h" o& ?/ p) p图3：通过测量S21参数进行系统和链路带宽测量的实验配置图。

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图4：使用窄线宽光源进行模态带宽测量的实验配置图。

研究采用了两种互补的测量设置来全面表征器件性能。第一种配置专注于使用SM MA VCSEL测量链路带宽，第二种设置专门用于使用窄线宽光源测量模态带宽。这种双重方法使得能够全面表征器件的传输能力和模态特性。
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/ ~, N: P& v; P, D性能结果和分析
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" {5 [* A3 l5 a图5：图表显示了(a)由SM MA VCSEL、光电二极管和'MMF1'组成的传输系统的S21参数，以及(b)MMF链路的S21参数，展示了系统的带宽能力。

" L# p1 r; E: F5 G- a% ?1 h5 P实验测量揭示了卓越的性能特征。系统在长达200米的距离内保持了22 GHz的-3 dBe链路带宽，而在100米长度时，-3 dBe链路带宽超过了40 GHz。这种增强的性能可归因于窄激光线宽和有利的激光-色散相互作用的协同效应。系统成功展示了在使用OM4光纤时，可在200米距离实现100G/通道传输，在100米距离实现200G/通道传输的能力。

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传输结果和未来展望
, \2 _+ M+ k- K% ~研究成功展示了在100米和200米长度上进行50 Gbaud NRZ无差错传输。SM MA VCSEL技术为新一代数据中心连接提供了实用的解决方案。该技术在扩展传输距离和提高数据速率的同时保持了信号完整性，并且与现有的OM4光纤基础设施兼容。在满足人工智能和高性能计算应用不断增长的带宽需求的同时，保持了数据中心部署所需的成本效益和能源效率。该技术的进步推动了数据中心设计和高速光互连的发展。

参考文献
[1] X. Chen, N. Ledentsov Jr., J. E. Hurley, O. Y. Makarov, M.-J. Li and N. Ledentsov, "Link Bandwidth and Transmission Capability of Single-Mode Multi-Aperture Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers at 100 G/Lane and 200 G/Lane over Multimode Fibers," Photonics, vol. 12, no. 147, pp. 1-11, Feb. 2025, doi: 10.3390/photonics12020147.
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