來自喬(qiao) 治華盛頓大學的研究人員開發出一種新的垂直腔麵發射激光器(VCSEL)，該激光器具有創紀錄的快速時間帶寬。通過組合多個(ge) 橫向耦合腔體(ti) 可以實現這一點，從(cong) 而增強了激光器的光反饋。VCSEL已成為(wei) 在數據中心和超級計算機中實現節能和高速光互連的重要方法。

垂直腔麵發射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，簡稱VCSEL，又譯垂直共振腔麵射型激光）是一種半導體(ti) ，其激光垂直於(yu) 頂麵射出，與(yu) 一般用切開的獨立芯片製程，激光由邊緣射出的邊射型激光有所不同。垂直腔表麵發射激光器（VCSEL）是伴隨單片激光諧振器的半導體(ti) 激光器的重要一類，鑒於(yu) 其緊湊的尺寸和光電性能用作高速、短波通信和傳(chuan) 感器的光源，它們(men) 正變得越來越重要。近年來，VCSEL已被部署在半導體(ti) 二極管激光器之外，成為(wei) 具有成本效益的光纖鏈路和數據中心網絡的來源。這是由於(yu) 其獨特的功能，如高可靠性、低成本和高製造良率、低功耗、無縫封裝、低激射閾值和工作電流、高溫穩定性以及密集陣列的直接製造。對於(yu) 數據傳(chuan) 輸應用，需要高調製帶寬。但是VCSEL的3 dB帶寬受熱效應、寄生電阻、電容和非線性增益效應（例如張弛振蕩）的限製。因此，利用有源區和RC寄生的適當設計，其在高頻處繞過有源區外部的調製電流，可以獲得高調製帶寬。由於(yu) 產(chan) 生了光子-光子共振（PPR）效應，光反饋已被證明可以增加VCSEL的調製帶寬。

由於(yu) 非線性光學放大效應（稱為(wei) 增益弛豫振蕩），VCSEL的直接調製不能超過30 GHz。在該研究中，研究人員結合MTCC引入了革命性的新穎的VCSEL設計。由於(yu) 需要仔細管理激光器內(nei) 部的反饋，因此研究人員通過組合多個(ge) 耦合腔來引入一種多反饋方法。該設計旨在增強稱為(wei) “慢光”的光反饋，從(cong) 而將時間激光帶寬（速度）擴展到弛豫振蕩頻率的極限之外。該創新是突破性的，因為(wei) 來自每個(ge) 腔的直接反饋僅(jin) 需適度，並且可以通過耦合腔精確控製，從(cong) 而具有更高的設計自由度。按照這種耦合腔方案，可以預期在100 GHz範圍內(nei) 產(chan) 生調製帶寬。

MTCC垂直腔麵發射激光器被設計成促進耦合腔之間相對於(yu) 中心激光腔的絕熱光能共享（如圖1）。由於(yu) 其絕熱設計，激光腔在參數上積累了光增益中增加的慢光部分，並使其可用於(yu) 待調製的腔。在選擇性增益和調製功能之間建立功能空間分離是在單模工作中同時實現高速和高功率的關(guan) 鍵。此外，這種設計的優(you) 點在於(yu) 避免了級聯傳(chuan) 輸控製鏈中累積的光損耗。

圖1. 六邊形橫向耦合腔垂直腔麵發射激光器（VCSEL）的示意圖結構（a）頂視圖,（b）截麵圖。

圖2. 研究人員製作的六邊形垂直腔麵發射激光器和校準的45 GHz小信號測量測試裝置的俯視圖

總之，研究人員提出了一種絕熱且橫向耦合到六個(ge) 六角形反饋腔的980nm VCSEL的新穎設計。在這種方法的成功基礎上，研究人員證明了與(yu) 非耦合傳(chuan) 統設計相比，3-dB滾降激光調製帶寬（受實驗設置限製的> 45 GHz）高了五倍。

該論文的合著者、該技術的發明人Hamed Dalir博士表示，“這個(ge) 發明是及時的，因為(wei) 對數據服務的需求正在迅速增長，並朝著諸如6G之類的下一代通信網絡發展，而且還應用於(yu) 汽車中的接近傳(chuan) 感器或智能手機的麵部ID。此外，耦合腔係統為(wei) 量子信息處理器中的新興(xing) 應用鋪平了道路，例如相幹的Ising機器。”

快速，強大的緊湊型激光器：適用於(yu) 下一代數據中心和傳(chuan) 感器的新型VCSEL。圖片來源：喬(qiao) 治華盛頓大學