引言
+ r4 T5 s/ u( Q. r. }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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o x( `8 b p/ W* n. f% v( R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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6 ^" g% W8 d; w4 [6 I高速数据传输的挑战$ q7 s4 `% K/ x0 c/ x# a
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。6 n) |1 `3 S5 ]! B6 L* v
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$ F- K6 B8 z/ ^3 g; rSM MA VCSEL的性能特征# D( s* `- l0 j; D* D0 ?
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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。$ f" O7 P) J F: I
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SM 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。8 X- B2 v8 |2 s: X; e! K ?
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实验设置和测量方法
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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。0 W3 m' q5 s" O% p! |( |' C
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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。0 A7 X% i, M1 {) l5 p( ?
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性能结果和分析
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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。2 Y9 [& }) o0 P; _8 ?
! \8 W l0 I3 i1 x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。4 Q+ ]! X8 n9 {
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传输结果和未来展望& v5 L( J% D6 w1 r) R% i
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。
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9 d6 T, {2 U5 h' U2 R0 F参考文献
: M0 J% k" _4 O[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.) w3 N) e0 q; c5 R' C7 \7 ?
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+ T2 j& B5 X5 s' {% o软件试用申请欢迎光电子芯片研发人员申请试用PIC Studio,其中包含:代码绘版软件PhotoCAD,DRC软件pVerify,片上链路仿真软件pSim,光纤系统仿真软件pSim+等。更多新功能和新软件将于近期发布,敬请期待!
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( Z3 `! B/ n$ @# E2 d8 S关于我们:
4 {0 y! t2 a- ]9 D深圳逍遥科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家专注于半导体芯片设计自动化(EDA)的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件,提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务,广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作,推动特色工艺半导体产业链发展,致力于为客户提供前沿技术与服务。
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