中國(guó)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)VCSEL帶寬新紀(jì)錄，AI數(shù)據(jù)中心迎來光芯片革命

  導(dǎo)語

  在算力需求爆炸式增長(zhǎng)的AI時(shí)代，光通信帶寬正成為制約數(shù)據(jù)中心性能的關(guān)鍵瓶頸。近日，深圳技術(shù)大學(xué)寧存政院士團(tuán)隊(duì)通過一項(xiàng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，將850nm VCSEL的調(diào)制帶寬提升至37.2GHz，打破該領(lǐng)域近20年30GHz的性能天花板！這一成果發(fā)表于頂級(jí)期刊《Laser & Photonics Reviews》，為下一代200G/s光模塊提供了低成本解決方案。

▲圖1 對(duì)比同行研究，深圳技術(shù)大學(xué)SZTU成果領(lǐng)先

  技術(shù)突破：巧用“空間模式選擇”突破物理極限

  1. 傳統(tǒng)VCSEL的困境

  帶寬鎖死30GHz：受限于載流子壽命、熱效應(yīng)等物理機(jī)制，850nm VCSEL長(zhǎng)期卡在≤100Gb/s（PAM4格式）的傳輸速率，難以滿足AI算力需求。

  耦合方案失效：此前通過多腔耦合提升帶寬的方案，因光場(chǎng)空間平均效應(yīng)導(dǎo)致高頻響應(yīng)被削弱。

  2. 創(chuàng)新設(shè)計(jì)：選擇性輸出耦合

▲圖2(a)雙VCSEL耦合結(jié)構(gòu)示意圖,(b)5μm孔徑實(shí)物圖。

  3.團(tuán)隊(duì)提出“雙臺(tái)面耦合+空間選?！辈呗裕▓D2）：

  結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：制備兩個(gè)間距可調(diào)（2-15μm）的耦合VCSEL臺(tái)面（直徑14-16μm）。

  關(guān)鍵一招：在其中一個(gè)激光器頂部開設(shè)5微米孔徑（圖2b），選擇性收集特定空間模式的光輸出，避免多模平均效應(yīng)，顯著增強(qiáng)高頻響應(yīng)。

  性能飛躍：37%帶寬提升創(chuàng)世界紀(jì)錄

  實(shí)驗(yàn)對(duì)比

  全孔徑收集：帶寬僅27.7GHz（與傳統(tǒng)VCSEL相當(dāng)）。

  5μm選擇性收集：帶寬飆升至37.2GHz（圖3），提升37%！

  核心機(jī)制驗(yàn)證

  模式拍頻效應(yīng)：光譜分析顯示高頻響應(yīng)峰（26–33GHz）源自光學(xué)模式相干疊加。

  距離優(yōu)化：當(dāng)臺(tái)面間距為8.5μm時(shí)，耦合強(qiáng)度最佳，帶寬達(dá)到峰值（圖4）。

▲圖3 是否開孔以及單一VCSEL和雙VCSEL的帶寬對(duì)比

▲圖4 不同VCSEL間距以及不同電流下的帶寬對(duì)比

  產(chǎn)業(yè)價(jià)值：低成本撬動(dòng)200G/s光互聯(lián)

  無需復(fù)雜工藝

  采用標(biāo)準(zhǔn)MOCVD工藝與濕法氧化技術(shù)，兼容現(xiàn)有產(chǎn)線。

  測(cè)試中已實(shí)現(xiàn)106Gb/s PAM4傳輸（眼圖清晰，圖5），受限于設(shè)備keysight N1092C未達(dá)理論極限。

▲圖5 眼圖測(cè)試106 Gb/s PAM4:(a) all-open TDECQ=0.54 dB,ER=2.40 dB, (b) 5-μm-open TDECQ=3.13 dB,ER=2.69.

  應(yīng)用場(chǎng)景

  下一代數(shù)據(jù)中心：支持200Gb/s單通道傳輸，降低光模塊成本。

  AI算力底座：滿足GPU集群間高速互聯(lián)需求，減少延遲瓶頸。

  未來展望

  帶寬進(jìn)一步提升：通過優(yōu)化孔徑尺寸與腔數(shù)（如七邊形耦合結(jié)構(gòu)），有望逼近50GHz。

  波長(zhǎng)擴(kuò)展：技術(shù)可遷移至980nm、1060nm等通信波段，覆蓋更廣應(yīng)用場(chǎng)景。

  結(jié)語

  這項(xiàng)研究首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了選擇性空間耦合的帶寬增強(qiáng)機(jī)制，不僅是VCSEL技術(shù)的突破，更為光子集成芯片設(shè)計(jì)提供了新范式。在AI驅(qū)動(dòng)算力革命的今天，中國(guó)團(tuán)隊(duì)正以光速推開未來通信的大門。

  參考文獻(xiàn)

  Zhong C, Feng J, Deng S, et al. Breaking the Bandwidth Limit of Vertical‐Cavity Surface‐Emitting Lasers by Selective Spatial‐Mode Outcoupling[J]. Laser & Photonics Reviews, 2025: e00880.