復(fù)旦大學(xué)在可見光通信藍(lán)光激光mini-LD芯片方面取得突破

    近期復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院遲楠團(tuán)隊(duì)聯(lián)合鵬城實(shí)驗(yàn)室余少華院士與沙特阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)Boon Ooi教授，在可見光通信關(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(shè)計(jì)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(xiàn)單一芯片支持通信速率超過20 Gbps。

    這一成果為高效能可見光通信系統(tǒng)和短波長(zhǎng)光子集成提供了核心器件，該研究工作以《具有超過5GHz調(diào)制帶寬的高速氮化鎵基半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)20Gbps可見光通信》（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。

    無線通信中的頻段資源已經(jīng)十分緊張，在6G復(fù)雜的通信環(huán)境下傳統(tǒng)的無線通信也難以達(dá)到全面的高速覆蓋。可見光通信（Visible Light Communication, VLC）作為一種無須授權(quán)頻段的高速通信技術(shù)，近年來受到廣泛關(guān)注，在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、AR/VR、電磁敏感區(qū)無線通信、低軌衛(wèi)星通信、水下無線光通信等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

    VLC作為一種無線光通信技術(shù)，它通過對(duì)光源（如LED、LD）進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制來傳遞信息，因此光源器件的帶寬直接制約了可見光通信系統(tǒng)的性能。藍(lán)光激光器是高速可見光通信系統(tǒng)的核心器件之一，由于材料體系和器件結(jié)構(gòu)不同，基于GaN的短波長(zhǎng)激光器帶寬目前僅有約1 GHz，難以滿足未來高速通信的需求。

    為了解決這一難題，遲楠教授團(tuán)隊(duì)從激光器帶寬限制因素的物理機(jī)制出發(fā)，深入研究了InGaN/GaN量子肼結(jié)構(gòu)有源區(qū)設(shè)計(jì)方法與帶寬調(diào)控機(jī)制。對(duì)于氮化物量子阱與量子壘厚度，層數(shù)等對(duì)于激光器調(diào)制響應(yīng)進(jìn)行了研究，建立了器件仿真模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

    研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)短波長(zhǎng)激光器芯片的尺寸微縮技術(shù)開展研究，提出了大帶寬藍(lán)光激光芯片的設(shè)計(jì)思路，成功制備了脊?fàn)畈▽?dǎo)寬度1.8 μm，諧振腔長(zhǎng)500 μm的高速亞毫米藍(lán)光激光器（mini-LD）。

    通過有源區(qū)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與尺寸微縮，不僅保證了激光芯片具有優(yōu)異的電光轉(zhuǎn)換特性，同時(shí)大大提升了激光器的調(diào)制帶寬。  

    圖1 高速藍(lán)光Mini-LD芯片的（a）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；（b）激射光斑照片；（c）光學(xué)顯微鏡照片。

    圖1（a）顯示了設(shè)計(jì)的藍(lán)光mini-LD芯片結(jié)構(gòu)示意圖，圖中對(duì)芯片有源區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了標(biāo)識(shí)。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)更適合未來的量產(chǎn)。

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

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

    團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)為451nm。在所施加的電流范圍內(nèi)，激光器的峰值波長(zhǎng)幾乎不隨偏置電流發(fā)生變化，表現(xiàn)出較為穩(wěn)定的輸出特性。  

圖3激光器芯片本征頻率響應(yīng)特性

    圖3顯示了激光器的調(diào)制響應(yīng)特性，140mA的偏置電流下，激光器的-3dB帶寬超過了5.9GHz，遠(yuǎn)超Osram、Nichia等藍(lán)光激光器的調(diào)制帶寬。

    利用該高速mini-LD芯片作為光源，研究團(tuán)隊(duì)搭建了可見光通信測(cè)試系統(tǒng)，開展了數(shù)據(jù)傳輸性能測(cè)試。

    采用離散多音頻調(diào)制結(jié)合比特加載技術(shù)，實(shí)現(xiàn)通信速率20.06 Gbps，誤碼率符合FEC門限。該研究結(jié)果對(duì)于未來高速可見光激光陣列通信在低軌衛(wèi)星通信以及大容量可見光互聯(lián)等應(yīng)用具有重要意義。

    復(fù)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(tuán)隊(duì)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(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金、中國(guó)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(fù)旦大學(xué)國(guó)際合作與交流處“雙一流”全球發(fā)展戰(zhàn)略推進(jìn)項(xiàng)目的支持。（來源：復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院遲楠團(tuán)隊(duì)）