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高速940nmVCSELs的制备及PAM4调制

杨卓凯  
【摘要】:5G通信技术的全面落户对大数据中心在传输容量、能耗以及速度等方面有了更高的要求。以垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,VCSEL)为核心的光学链路由于能耗以及链路成本较低,已经被广泛的用于光互连领域。在过去很长一段时间里,单纯地改变器件结构提高VCSEL参数是能够满足商业需求增长的。但是现在,纯粹的器件改良已不足以跟上需求的变化。在这种情况下,改变链路的调制方式就成为了一条新的重要手段。4脉冲幅度(4Pulse Amplitude Modulation,PAM4)调制是一种新式的调制方法,其相对于传统的不归零(Non-return-to-zero,NRZ)码调制来言,可增加近一倍的传输速率,被IEEE组织列为400GE链路的解决方案之一。但作为传输速率增加的代价,PAM4调制同样也会导致链路的信号质量下降。所以如何权衡VCSEL光学链路传输速率以及信号质量的关系并对其加以改进尤为重要,且具有巨大的经济效益。本论文主要围绕高速VCSEL的制备及其基于PAM4调制的数据传输进行研究,以期实现高速、高信号质量的数据传输。主要研究工作如下:首先介绍了VCSEL的背景、器件结构以及高速调制机理,并阐述了PAM4调制的基本原理与相应的电子技术。调研了国内外高速VCSEL的最新进展以及与PAM4调制方式相结合的案例,并且撰写了一篇综述文章。然后介绍了高速VCSEL制备中的相关微纳加工工艺,包含清洗,光刻,干法刻蚀,BCB平坦化等步骤,提及了各项步骤中的注意事项并进行了简单总结。通过实验,确定了光刻,干法刻蚀以及BCB平坦化的具体工艺参数。最后对制备好的器件进行测试。测式一共分为4大部分:光强-电流-电压(LIV)测试,光谱测量,小信号调制测试以及数据传输测试。通过LIV测试,筛选出的5μm氧化孔径器件的阈值电流为0.4m A,翻转电流为3.8m A,最大输出功率为2.76m W,LI斜率效率超过1.2W/A。光谱测量结果显示当电流为3.55m A时,器件中心波长为940nm,边模抑制比大于45d B,可以实现单模工作。通过小信号调制测试,目标器件在3.55m A时的调制带宽为22Ghz。通过数据传输测试,在使用预加重以及脉冲整形电子技术的条件下,基于PAM4调制获得了50Gbps的传输净眼,实现了高质量的数据传输。


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