近日，电子科技大学基础与前沿研究院巫江教授、任翱博研究员团队在信息领域中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊《Information & Functional Materials》和光学领域国际知名期刊《Optics Letters》上连续发表面向光互联的高功率高速单模1064 nm VCSEL激光光源研究成果。博士生张旭昊和硕士生王艺桦分别为论文第一作者，电子科技大学为第一完成单位。
在高算力数据中心、空间光通信与AI芯片光互联等应用中，激光光源不仅需要高速度，还必须具备高功率、高光束质量和低功耗的特性。垂直腔面发射激光器 (VCSEL) 因具备低功耗、高带宽和优异光束质量等优点，已成为其关键器件。
论文一：High‐fundamental‐mode output of 1064nm vertical‐cavity surface‐emitting laser using double embedded anti-resonant oxide islands
目前VCSEL架构方案往往面临功率与带宽不可兼得的困境：提升功率往往导致多模运行、影响远距离传输质量；追求单模则会限制输出功率与调制带宽，难以满足高速互联需求。针对上述瓶颈，团队提出了一种新型VCSEL结构，通过在顶部分布式布拉格反射镜中嵌入两个尺寸不同的氧化物岛，该设计通过增强模式鉴别能力，在较大孔径下仍能维持稳定的单模激射，大幅提升了激光器的输出功率与调制带宽，为AI芯片、空间光通信、数据中心等应用提供解决方案。
图1：双嵌入氧化物岛VCSEL架构示意图
该VCSEL采用双结有源区设计，通过隧道结进行级联提升功率输出。氧化物岛的引入形成了反谐振波导效应。低折射率的氧化物区域与周围高折射率材料构成径向折射率差，不同横模在该结构中的泄漏损耗差异显著。通过优化氧化物岛的位置、尺寸和厚度，综合考虑器件模式控制能力、阈值电流和转换效率，实现了基模与高阶模之间阈值电流的最大化差异。与当前先进设计相比，该结构在1064 nm波长下可实现36.2 mW的单模输出功率，同时边模抑制比大于 30 dB，实现54.8% 的功率转换效率，以及33.06 GHz的3-dB带宽。综合性能显著优于现有方案，进一步推动了自由空间、数据中心等复杂场景的大容量光通信中VCSEL的发展。
图2：双氧化物岛嵌入式VCSEL激光器的综合性能表现
论文二：High-bandwidth 1060 nm VCSEL design with hybrid buried tunnel junction and oxide confinement
随着人工智能大模型工作负载和GPU集群规模的攀升，数据中心内的数据互联需求激增。基于VCSEL的技术的近封装光学（NPO）和共封光学（CPO），因其在短距离“Scale Up”光链路中的优越带宽和损耗，正逐渐取代高端铜互连技术。开发同时支持高调制率、低功耗VCSEL是另一个关键目标。
鉴于此，团队针对短腔1060nm VCSEL架构，提出了复合约束架构，结合掩埋隧道结（BTJ）和氧化层孔径，共同管理器件自热效应、载流子注入选择性和器件寄生电容。采用8nm反偏结偏移增加了反向偏置耗尽宽度，降低净器件电容，同时保持单模所需的驻波重叠该研究的设计在8mA驱动电流下实现37.2 GHz的小信号调制带宽，显示出优异的高速性能和良好的能效比。
图3：基于氧化孔径和掩埋隧道结的复合约束VCSEL架构
图4：器件直流偏置寄生电容及其电光频率响应性能
本系列研究在不牺牲光束质量和带宽的前提下，显著提升了单模输出功率和效率，为高速、远距、高可靠光传输系统提供了潜力巨大的光源解决方案。研究工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金等项目支持，同时得到了电子薄膜与集成器件全国重点实验室、墨子实验室的支持。
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