基于垂直腔面发射激光器（VCSEL）的一体集成光电收发芯片研究

Recently, the ever-growing applications of big-data and "cloud computing" have promoted great demand for the data traffic bandwidth in datacenters and also the transmission data rate of its networks. The optical interconnects is now the most efficient solution for it, where VCSEL is the most utilized transmitting device for it in short distance due to its benefits of low power consumption, high modulation speed, and high coupling efficiency to multimode fiber etc. Moreover, if optical signal receiver can be monolithically integrated with VCSEL into only one chip, it will further improve the optical interconnects’ performance greatly. In this project, by integrating VCSEL and PIN photodetector (PIN-PD) vertically and coaxially, researching on the optical transmitting and receiving signal’s decoupling technology in micro-sized coaxial light path, researching on the electrical isolation technology between the vertically integrated units under high frequency modulation conditions and researching on the lateral optical field confinement enhancement technology for improving VCSEL’s performance, a monolithically integrated optoelectronic transceiving chip is proposed. And the integrated chip’s working mechanism, its optimization design method and its realization process technology will also be researched. The implementation of this project will help improving the development of the original research works for the key devices applied for big-data and “cloud computing” etc. in our country.

近年大数据和“云计算”的飞速发展对数据中心的数据流量带宽提出越来越高的需求，光互联技术成为其核心解决方案，而垂直腔面发射激光器（VCSEL）以其低功耗、低成本和高性能成为数据中心短距光互联的核心发送光源，如果能够进一步将光接收器件与VCSEL集成在一起，将能够显著提升相应光互联系统的整体效能。本项目通过将VCSEL和PIN光电探测器垂直同轴集成在一个芯片上，研究微尺度下同轴光路中光收发信号的解耦技术、垂直集成单元间高频调制下的电隔离技术以及提升VCSEL器件性能的横向光场限制因子增强技术，提出了新型基于VCSEL的芯片级集成一体光电收发器件，并探索其工作机理，优化设计方法和实现工艺。本项目的研究将能够为进一步推动我国在云计算、大数据分析产业中关键核心器件自有知识产权技术的发展提供有益的助力。

随着现代社会信息化进程不断加速，网络通信量呈“爆炸式”提高，人们对海量数据的处理需求越来越迫切，作为数据载体的数据中心中光互连技术性能指标越来越高，核心的光电子器件研究越来越引起人们的关注。本项目通过器件结构和制备工艺的创新，设计并制备了基于垂直腔面发射激光器的一体集成光电收发芯片，以实现低功耗、高集成度、高性能的光互连。项目取得的主要研究成果包括：..提出并优化设计VCSEL-RCEPD垂直集成收发一体芯片；..提出并优化设计VCSEL和双腔RCEPD垂直集成收发一体芯片组；..提出并优化设计基于腔内DBR结构VCSEL和PINPD的集成芯片组；..提出并优化设计基于嵌套腔VCSEL和PINPD的集成芯片；..提出V型槽PINPD以优化高频响应特性，44微米直径器件带宽14.34GHz；..优化载流子输运对VCSEL调制带宽影响，1λ厚长腔VCSEL提升调制性能17%；1/2λ厚短腔VCSEL提升调制性能27%；. .提出并优化设计100GHz响应带宽20微米直径UTC-PD； ..制备基于腔内DBR的VCSEL，Ith=9mA，R=50欧姆，P=40.2mW，斜率效率0.74W/A；..制备基于腔内DBR的RCLED –PINPD集成芯片，收发射波长804nm和830nm，线宽4nm，接收窗口8nm；P=52μW，R=250欧姆，带宽2.2GHz，隔离度>30dB；光响应度0.42A/W，响应带宽10.6GHz，隔离度>70dB；..制备基于腔内DBR的VCSEL –PINPD集成芯片，发射波长861.1nm，20dB线宽0.2nm，光接收窗口796nm~819nm；Ith=1mA，P=0.16mW，R=244欧姆，带宽4.35GHz，可实现>8GHz；光接收响应度0.48A/W，带宽为12.3GHz。..进行了基于嵌套腔VCSEL和PINPD的集成芯片制备。..研究表明锥顶柱状谐振腔结构不适合850nm VCSEL实现；提出并制备基于腔内DBR的单模VCSEL，Ith=0.8mA，P=0.21mW；激射波长857nm，20dB线宽0.2nm，边模抑制比大于30dB。.项目在理论和实验方面均取得突破性成果，在国内外知名学术刊物上发表SCI/EI收录论文19篇，申请发明专5项，其中授权2项；培养博士5人，硕士3人。