文．Jingyi Wanga等

850nm VCSEL (垂直腔面发射激光器，Vertical Cavity Surface Emitting Laser)技术目前已经成熟，并成为主流的光子通信技术，适合短距离多模光纤(Multi-Mode Fiber, MMF)数据通信应用。

过去10年间，商业化大量生产的850nm VCSEL光连线方案，数据传输率已经提高到每通道14Gbit/s，采用VCSEL阵列的平行光纤发射器产品更超过100Gbit/s。对于数据通信连线能力与带宽的需求持续创造更高数据传输率VCSEL的市场。以高达甚至超过28Gbit/s数据传输率运作的直接调制VCSEL，已经成为满足未来各种专用以及标准应用，包括32G的光纤信道(Fiber Channel)、CEI-25(25～28Gbit/s)、Infiniband EDR(4,12x25Gbit/s)以及100G Ethernet等不可或缺的产品。

980nm与1,100nm VCSEL已经被验证能够达到35Gbit/s与45Gbit/s的调制速度，可以达到更长发射波长，主要透过砷化铟镓(InGaAs)量子井(Quantum Well, QW)来达成，原因是它拥有比砷化镓(GaAs)量子井更高的差动增益、更低的穿透载子密度、更长的发射波长，同时也允许设计能够加入具有更佳的折射率对比与热传导能力的二进制镜像。

对于850nm附近的商用标准短距离数据通信波长范围，最近的结果显示，半波长腔体设计可以改善转发与纵向光局限因子，更紧密的砷化铟镓量子井可以改善差动增益，而在p型分布布拉格镜面(Distributed Bragg Reflector, DBR)中加上双氧化孔径则可以降低电容，并且已经证实可以在25℃时达到28GHz的调制带宽以及44Gbit/s的数据传输率。

本文将介绍可以符合25Gbit/s到28Gbit/s VCSEL应用要求的850nmVCSEL，整体设计在做法上并非聚焦于室温下最快可能速度的VCSEL，而是能够在0～85℃延伸温度范围下拥有优化效能的高可靠度VCSEL。

组件设计与生产

要满足在0-85℃温度范围下，支持28Gbit/s数据传输率收发器模块要求，以及面对如何平衡可靠度与效能两个相互冲突要求的挑战，为了管理这些可能冲突的要求，新VCSEL在设计上选用一个商用三维(3D)有限元素组件仿真器，其中包含光学、电气及热效应，模拟中使用的主要材料参数则由材料增益、自由载子吸收耗损以及材料的传导能力决定。

850nm VCSEL的优化设计在工程上可以符合高达28Gbit/s的数据传输率要求，设计包含多层量子井(MQW)的优化、载子转发、电流孔径大小，以及n型与p型DBR层组成设计与等级，并达到同时较低的串行电阻、光吸收与热阻抗的掺杂处理。而优化设计透过较低的电流密度提供带宽，以便将接面发热降到最低并延长损坏前的使用寿命，在7.5毫安(mA)偏压电流下，有限元素模型在5℃、25℃、40℃、75℃及90℃等五个不同仿真温度都预测超过18GHz的-3dB带宽。

这个VCSEL设计已可在安华高的III-V量产产在线实现，整个制作流程使用安华高的10G与14G VCSEL量产程序，并采用感应耦合型电浆(Inductively Coupled Plasma, ICP)的干式蚀刻制程形成主动区上p-DBR中的单高铝砷化铝镓(AlGaAs)层，高铝层接着以高温湿式氧化制程进行氧化，形成电流孔径并用来产生折射率对比，并使用多能量植入技术来将寄生电容降到最低。

组件特性探究

所制造出的组件在晶圆上以Cascade Microtech GS125射频探针进行测试，经过调校以免除测试安排效应的小信号测量则由安捷伦(Agilent)的E8364B PNA网络分析仪执行。在时域特性上，组件由PRBS31以25Gbit/s模型产生器推动，眼图则使用安捷伦的86105D，以20GHz带宽光学插入进行测量。

图1显示VCSEL在5℃到90℃温度范围内的典型LI曲线，其中延伸温度范围的翻滚电流远大于9毫安。这个设计对几个关键参数进行优化，包括Fabry Perot共振腔波长及主动区增益尖峰间的波长位移，这决定了临界电流相对于温度效应和热阻的相对关系，直接影响在热翻转发生前可以达到的最高输出功率。

一个了解大信号时域VCSEL调制响应的关键方式是小信号S21的响应分析，图2显示7.5毫安下所测得最新28Gbit/s设计，以及使用在安华高16G光纤信道收发器模块中14G VCSEL的小信号调制-3dB带宽频率相对于VCSEL温度的关系。

图1 5℃到90℃不同温度下28Gbit/s氧化VCSEL芯片的典型LI曲线

7.5毫安偏压电流下、5℃到90℃温度范围内，28G VCSEL所测得带宽大于18.5GHz，与f-3dB的模拟效能吻合，28G VCSEL在相同偏压条件与温度下可以提供比14G VCSEL高5GHz的带宽。如前面提到，该设计目标为整体效能的优化，特别是可能因寄生与热效应造成限制的高温下带宽。

图2显示，在7.5毫安偏压电流下，5℃到90o温度范围内，f-3dB带宽的变化不超过1.5GHz。图3则进一步描述了S21响应的细节，也就是在VCSEL温度于75-90℃时，f-3dB带宽相对于偏压电流的关系，其中f-3dB带宽在7毫安时，开始饱和并在约9毫安达到最高。进一步的S参数分析显示，最大f-3dB带宽限制在20GHz，主要因较高接面温度下的电气寄生效应及谐振频率的饱和。图4则显示25℃下所测得小信号S21调制响应相对于偏压电流的关系，室温下12毫安偏压电流组件带宽超过23GHz，纵使其针对高温效能进行优化亦然。

图2 氧化VCSEL在7.5毫安偏压电流下小信号f-3dB带宽相对于VCSEL温度的关系，所有组件孔径大小约为7微米(μm)。

图3 温度分别为75℃与90℃时f-3dB带宽相对于偏压电流的关系

图4 温度为25℃时小信号调制响应相对于偏压电流的关系

虽然研究指出，可由较小孔径达成较快的组件，但在组件上所要达成的一个设计目标是将运作时的电流密度降到最低，也就是更好的可靠度。最新的设计透过维持与现有14G VCSEL相同的孔径大小与工作电流，带来更佳的带宽而不会对组件造成过大压力。

虽然VCSEL带宽以及相关的上升与下降时间，对于多模光纤的连线是基本要求，但在决定多模光纤连线的稳固度上还有其他考虑，例如频谱宽度(Spectral Width)及相对噪声强度(Relative Intensity Noise, RIN)就必须进行探讨并解决，以确保低位错误率的传输。

图5显示7.5毫安偏压电流下28G VCSEL的光学频谱，此组件设计与氧化层可用来将光学指数降到最低，并优化电流限制已取得高带宽以及大约0.3nm的频谱宽度，这个窄频谱宽能够降低长距离光纤传输的色度色散效应。

相对噪声强度可能是光连线功率的一个主要限制因素，并且会降低信噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)且提高位错误率(Bit Error Rate, BER)，因而影响到系统的效能，相对噪声强度强烈受到VCSEL特性与外部因素，如回波反射和光电转换后的光学与电气滤波器特性影响，为了能够将通信连线优化，必须精确地对相对噪声强度的特性进行分析。

图5 7.5毫安偏压电流下的频谱密度

测量相对噪声强度的一个挑战是，将相对于测量信号的示波器噪声降到最低，在VCSEL相对噪声强度测量中使用了不含滤波器的17GHz带宽安捷伦86105D 20GHz光学示波器，测试安排与方法可参考

图6 7.5毫安偏压电流下相对噪声强度的测量值，使用无滤波器的20Gb光学示波器。

图7 (a) 7.5毫安偏压电流5℃时以及(b) 7.5毫安偏压电流75℃时于裸芯片层的25Gbit/s典型眼图

图6显示28G VCSEL的相对噪声强度测量值，所有受测组件都低于-140dB/Hz。使用PBRS31数据模型测得的大信号眼图测量于延伸温度范围内进行，图7(左)与图7(右)显示分别为5℃与75℃时使用安立知(Anritsu)MP1800A BERT模型产生器于裸芯片层的25Gbit/s典型眼图结果。

以安华高特有激光驱动器的28Gbit/s收发器模块典型眼图为例，在常用的7.5毫安偏压电流下，已可达到39%高屏蔽裕度以及5dB的消光比，展现出28Gbit/s VCSEL的卓越交流效能表现。

可用解决方案陆续出笼

直接调制850nm VCSEL为短距离高速数据通信应用的关键技术，厂商已经开发出优化的28Gbit/s VCSEL产品以满足32G光纤信道应用，并支持0～85℃温度范围的收发器模块运作，这个28Gbit/s VCSEL使用安华高已经大量生产的10G/14G VCSEL制程制造。而VCSEL收发器模块的大信号眼图显示，在整个工作温度范围下卓越高速效能，对于28G VCSEL的寿命可靠度研究分析也已经展开，初步的结果显示可以在70℃时达到超过10年以上的工作寿命，使得它们成为商业产品的可用解决方案。

(本文作者Jingyi Wang、Mark Keever、Zheng-Wen Feng、Tom Fanning、Chen Chu、Aadi Sridhara、Friedhelm Hopfer、Terry Sale、An-Nien Cheng、Bing Shao、Li Ding、Pengyue Wen、Hsu-Hao Chang、Charlie Wang、David Chak Wang Hui、Laura Giovane皆任职于安华高科技)