復旦大學(xué)在可見(jiàn)光通信藍光激光mini-LD芯片方面取得突破

作者 | 發(fā)布日期 2024 年 06 月 07 日 9:39 | 分類(lèi) 功率

近期復旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院遲楠團隊聯(lián)合鵬城實(shí)驗室余少華院士與沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)Boon Ooi教授,在可見(jiàn)光通信關(guān)鍵光源器件研究方面取得了突破性進(jìn)展,利用極性面氮化鎵(GaN)材料設計研制了一種具有大帶寬的窄脊短腔激光器(mini-LD),將高速光源的帶寬從1GHz左右提升到5.9GHz,實(shí)現單一芯片支持通信速率超過(guò)20 Gbps。

這一成果為高效能可見(jiàn)光通信系統和短波長(cháng)光子集成提供了核心器件,該研究工作以《具有超過(guò)5GHz調制帶寬的高速氮化鎵基半導體激光器實(shí)現20Gbps可見(jiàn)光通信》(High-speed GaN-based laser diode with modulation bandwidth exceeding 5 GHz for 20 Gbps visible light communication)為題發(fā)表在《光子學(xué)研究》(Photonics Research)上。

無(wú)線(xiàn)通信中的頻段資源已經(jīng)十分緊張,在6G復雜的通信環(huán)境下傳統的無(wú)線(xiàn)通信也難以達到全面的高速覆蓋??梢?jiàn)光通信(Visible Light Communication, VLC)作為一種無(wú)須授權頻段的高速通信技術(shù),近年來(lái)受到廣泛關(guān)注,在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、AR/VR、電磁敏感區無(wú)線(xiàn)通信、低軌衛星通信、水下無(wú)線(xiàn)光通信等領(lǐng)域展現出廣闊的應用前景。

VLC作為一種無(wú)線(xiàn)光通信技術(shù),它通過(guò)對光源(如LED、LD)進(jìn)行強度調制來(lái)傳遞信息,因此光源器件的帶寬直接制約了可見(jiàn)光通信系統的性能。藍光激光器是高速可見(jiàn)光通信系統的核心器件之一,由于材料體系和器件結構不同,基于GaN的短波長(cháng)激光器帶寬目前僅有約1 GHz,難以滿(mǎn)足未來(lái)高速通信的需求。

為了解決這一難題,遲楠教授團隊從激光器帶寬限制因素的物理機制出發(fā),深入研究了InGaN/GaN量子肼結構有源區設計方法與帶寬調控機制。對于氮化物量子阱與量子壘厚度,層數等對于激光器調制響應進(jìn)行了研究,建立了器件仿真模型并進(jìn)行了數值模擬分析。

研究團隊針對短波長(cháng)激光器芯片的尺寸微縮技術(shù)開(kāi)展研究,提出了大帶寬藍光激光芯片的設計思路,成功制備了脊狀波導寬度1.8 μm,諧振腔長(cháng)500 μm的高速亞毫米藍光激光器(mini-LD)。

通過(guò)有源區的優(yōu)化設計與尺寸微縮,不僅保證了激光芯片具有優(yōu)異的電光轉換特性,同時(shí)大大提升了激光器的調制帶寬。

圖1 高速藍光Mini-LD芯片的(a)結構設計;(b)激射光斑照片;(c)光學(xué)顯微鏡照片。

圖1(a)顯示了設計的藍光mini-LD芯片結構示意圖,圖中對芯片有源區結構進(jìn)行了標識。這一芯片是在常用的極性面襯底上制備的,與昂貴的半極性面襯底相比,這一技術(shù)更適合未來(lái)的量產(chǎn)。

圖1 (b) 是制備的激光芯片在實(shí)驗室測試時(shí)的激射光斑,(c)圖是光學(xué)顯微鏡下觀(guān)察研制的mini-LD芯片,可看到表面光滑平整,兩側的諧振腔面平行度高,測量可知諧振腔腔長(cháng)為500μm。

圖2 藍光激光器的電致發(fā)光光譜,發(fā)光波長(cháng)為451nm。

團隊研制的mini-LD具有較低的閾值電流(31 mA)和較高的斜率效率(1.02 W/A)。激光器的光譜如圖2所示,激光器的激射波長(cháng)為451nm。在所施加的電流范圍內,激光器的峰值波長(cháng)幾乎不隨偏置電流發(fā)生變化,表現出較為穩定的輸出特性。

圖3激光器芯片本征頻率響應特性

圖3顯示了激光器的調制響應特性,140mA的偏置電流下,激光器的-3dB帶寬超過(guò)了5.9GHz,遠超Osram、Nichia等藍光激光器的調制帶寬。

利用該高速mini-LD芯片作為光源,研究團隊搭建了可見(jiàn)光通信測試系統,開(kāi)展了數據傳輸性能測試。

采用離散多音頻調制結合比特加載技術(shù),實(shí)現通信速率20.06 Gbps,誤碼率符合FEC門(mén)限。該研究結果對于未來(lái)高速可見(jiàn)光激光陣列通信在低軌衛星通信以及大容量可見(jiàn)光互聯(lián)等應用具有重要意義。

復旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院的博士研究生王軍飛為本文的第一作者,遲楠教授團隊青年教師沈超等為本文通信作者。該工作得到了重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金、中國移動(dòng)研究院與中關(guān)村泛聯(lián)移動(dòng)通信技術(shù)創(chuàng )新研究院等的支持。該合作研究也得到了復旦大學(xué)國際合作與交流處“雙一流”全球發(fā)展戰略推進(jìn)項目的支持。(來(lái)源:復旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院遲楠團隊)

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