導語

  在算力需求爆炸式增長的AI時代，光通信帶寬正成為制約數據中心性能的關鍵瓶頸。近日，深圳技術大學寧存政院士團隊通過一項創新設計，將850nm VCSEL的調制帶寬提升至37.2GHz，打破該領域近20年30GHz的性能天花板！這一成果發表于頂級期刊《Laser & Photonics Reviews》，為下一代200G/s光模塊提供了低成本解決方案。

▲圖1 對比同行研究，深圳技術大學SZTU成果領先

  技術突破：巧用“空間模式選擇”突破物理極限

  1. 傳統VCSEL的困境

  帶寬鎖死30GHz：受限于載流子壽命、熱效應等物理機制，850nm VCSEL長期卡在≤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，因光場空間平均效應導致高頻響應被削弱。

  2. 創新設計：選擇性輸出耦合

▲圖2(a)雙VCSEL耦合結構示意圖,(b)5μm孔徑實物圖。

  3.團隊提出“雙臺面耦合+空間選模”策略（圖2）：

  結構創新：制備兩個間距可調（2-15μm）的耦合VCSEL臺面（直徑14-16μm）。

  關鍵一招：在其中一個激光器頂部開設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，顯著增強高頻響應。

  性能飛躍：37%帶寬提升創世界紀錄

  實驗對比

  全孔徑收集：帶寬僅27.7GHz（與傳統VCSEL相當）。

  5μm選擇性收集：帶寬飆升至37.2GHz（圖3），提升37%！

  核心機制驗證

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

  距離優化：當臺面間距為8.5μm時，耦合強度最佳，帶寬達到峰值（圖4）。

▲圖3 是否開孔以及單一VCSEL和雙VCSEL的帶寬對比

▲圖4 不同VCSEL間距以及不同電流下的帶寬對比

  產業價值：低成本撬動200G/s光互聯

  無需復雜工藝

  采用標準MOCVD工藝與濕法氧化技術，兼容現有產線。

  測試中已實現106Gb/s PAM4傳輸（眼圖清晰，圖5），受限于設備keysight N1092C未達理論極限。

▲圖5 眼圖測試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.

  應用場景

  下一代數據中心：支持200Gb/s單通道傳輸，降低光模塊成本。

  AI算力底座：滿足GPU集群間高速互聯需求，減少延遲瓶頸。

  未來展望

  帶寬進一步提升：通過優化孔徑尺寸與腔數（如七邊形耦合結構），有望逼近50GHz。

  波長擴展：技術可遷移至980nm、1060nm等通信波段，覆蓋更廣應用場景。

  結語

  這項研究首次實驗驗證了選擇性空間耦合的帶寬增強機制，不僅是VCSEL技術的突破，更為光子集成芯片設計提供了新范式。在AI驅動算力革命的今天，中國團隊正以光速推開未來通信的大門。

  參考文獻

  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.