850/940-nm VCSEL应用于光纤通讯与3D感测
【台湾大学林恭如教授、吴肇欣博士和台湾交通大学郭浩中教授课题组】


        VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)全名为垂直腔面激光发射器,以砷化镓半导体材料为基础研制,有别于LED(发光二极管)和LD (激光二极管) 等其他光源,具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉、易集成为大面积阵列等优点,广泛应用于光通信、光互连、光存储等领域。


        由于当今巨量数据存储交换与高解析宽带视频语音串流的需求,云端数据传输急需提速,作为数据中心主要数据传输器,850-nm VCSEL阵列模块的总体比特率已逐渐从100 Gbps提升至200 Gbps乃至400 Gbps及Tbps等级。预估到2020年即有400 Gbps的VCSEL光收发模块实际应用于云端数据中心 (Data Center)。此外,940-nm VCSEL在便携式通讯与手持信息装置(如手机与平板计算机等数码产品)中可作为脸谱特征辨识器件而备受关注,并且在车载激光雷达(LiDAR) 等距离及地貌感测等方面,也因为无人驾驶的需求崛起而逐渐扩大其商机。

        台湾大学林恭如教授、吴肇欣博士研究团队和台湾交通大学郭浩中教授研究团队详细回顾了850/940-nm VCSEL的发展历程和最新技术,重点讨论了结构设计、模式控制和相关数据传输性能等。采用InGaAs/AlGaAs MQW提高VCSEL中的微分增益和光子密度。在VCSEL中设计了多个氧化层和氧化物限制孔径,以减小寄生电容并产生单模VCSEL。采用设计良好的VCSEL结构实现了30 GHz的最大调制带宽。文中还讨论了近红外VCSEL的其他应用。

团队简介
        台湾大学林恭如教授研究团队专注于研究利用多样性格式调变激光二极管,探讨数据中心多模与单模光纤数据传输链接,可见光自由空间与水下照明兼通讯系统、光纤有线与毫米波无线整合网络、波分复用被动光纤网络传输、全光数据格式转换芯片以及以纳米材料饱和吸收启动锁模光纤激光器等课题,并且广泛发展各种应用。突出成果包括VCSEL直调56-Gbps PAM-4与100-Gbps QAM-OFDM多模光纤传输,首度以氮化镓蓝光激光二极管直调QAM-OFDM自由空间18-Gbps可见光通讯,创下世界纪录,10-Gbps以上蓝紫光激光二极管色转换白光照明通讯,双模无色激光二极管实现28/39/60-GHz毫米波的60-Gbps光纤传输,小于300-fs纳米碳系材料饱和吸收锁模飞秒光纤激光器、以纳米硅量子点发光二极管以及自由载流子吸收和非线性Kerr效应的全光转换逻辑开关。林教授为光通讯领域领军人物,其蓝光激光自由空间与水下通讯成果均在Web of Science数据库中为高引用率论文,并被Nature子期刊Scientific Reports选为TOP100论文。

        台湾交通大学激光半导体实验室(Semiconductor Laser Technology Labs.)由郭浩中特聘教授主持,研究领域为半导体激光(LD)、发光二极管(LED)、III-V族半导体材料及组件。激光半导体实验室于2008年研制出第一个连续波长(CW)氮化镓垂直腔面发射激光器(CLEO, CMI5,2008,至今共获174次引用),2010年研制出首个CW室温氮化镓VCSEL (Appl. Phys. Lett., 97: 071114,2010,至今共获98次引用)。激光半导体实验室在开发高效率、大功率LED方面,特别是对于氮化镓发光二极管Efficiency Droop(量子效率随注入电流增大而骤降)问题的改善,做出了卓越贡献。激光半导体实验室的研究成果曾被SPIE News Report, Semiconductor Today, Compound Semiconductor, CLEO Post Deadline, Laser Focus World及IOP Nanotechnology等诸多新闻媒体所报导。激光半导体实验室长期掌握发展固态照明及化合物半导体不可或缺的核心技能。

        台湾大学积体光电整合实验室致力于发展高速半导体电子与光电组件。主持人吴肇欣博士毕业于美国伊利诺大学香槟分校电机系,目前任职于台湾大学电机系、光电工程学研究所及电子工程学研究所。其博士就读期间,主要开发高速半导体组件,发光晶体管与晶体管激光器等。积体光电整合实验室目前的研究主题包括高速VCSEL在光互联网的应用,硅基氮化镓的功率与射频电子组件、二维材料晶体管、硅光子、发光敏晶体管与晶体管激光器在光逻辑开光的应用,发光二极管在可见光通讯的应用。吴博士发表了40余篇论文期刊与60篇会议论文,曾拿过尼克·何伦亚克奖、何怡慈青年学者奖与台大电资学院学术贡献奖。

相关论文
Cheng C H, Shen C C, Kao H Y, Hsieh D H, Wang H Y et al. 850/940-nm VCSEL for optical communication and 3D sensing. Opto-Electronic Advances 1, 180005 (2018).
DOI:10.29026/oea.2018.180005