《Photonics》：Classical Correspondence of Squeezing Operators and the Extension of Bohr’s Correspondence Principle
Ke Zhang and
Hongyi Fan
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针对短距离光互连对高速率光源的需求，本研究采用Crosslight PICS3D仿真优化双氧化层结构与孔径尺寸，结合Zn扩散工艺制备了高性能940 nm VCSEL，实现了34 GHz调制带宽与100 Gbit/s PAM-4传输，为下一代数据中心光互连提供了可靠解决方案。
引言：当数据中心遭遇“流量风暴”，谁能成为光互连的“超跑引擎”？
在人工智能训练、云计算与5G/6G网络爆发的时代，全球数据洪流正以前所未有的速度膨胀。传统铜缆互连已逼近物理极限——电阻损耗与电磁干扰如同拥堵的高速公路，难以支撑每秒百吉比特（Gbit/s）级的数据传输需求。而短距离光互连凭借低功耗、高带宽的特性，成为打破瓶颈的关键。其中，垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL）因其独特的垂直发光结构、低阈值电流和易于集成的二维阵列优势，被视为数据中心光互连的核心光源。
然而，随着数据传输速率向100 Gbit/s甚至更高迈进，传统850 nm VCSEL面临严峻挑战：波长更长的940 nm波段虽能与硅探测器高效兼容，且在复杂环境中抗干扰能力更强，但其多量子阱（Multiple Quantum Wells, MQWs）需引入铟（In）元素调节带隙，带来晶格应变与生长复杂性。更重要的是，VCSEL的调制带宽受限于载流子动力学与RC寄生效应——氧化层产生的电容与电阻如同“隐形刹车”，拖慢了电信号转换为光信号的响应速度。如何精准平衡“带宽提升”与“热稳定性”“制造可行性”，成为学术界与产业界共同探索的难题。
在此背景下，Ke Zhang与Hongyi Fan团队在《Photonics》发表研究，聚焦940 nm VCSEL的结构优化与性能验证。他们不追求单纯的指标突破，而是通过仿真指导设计，将成熟的高速设计原则转化为可落地的器件方案，最终实现34 GHz调制带宽与100 Gbit/s PAM-4传输的里程碑成果。这一研究不仅验证了仿真模型的准确性，更为下一代高速光互连提供了兼具性能与实用性的技术路径。
关键技术方法概述
研究采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）在n型GaAs衬底上生长940 nm VCSEL外延结构，通过电子束蒸发沉积P型环状金属（Ti/Pt/Au），利用电感耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE）制备台面，并在高温蒸汽环境下湿法氧化AlGaAs层形成氧化物限制孔；随后通过Zn扩散降低p-DBR电阻、抑制高阶横模，结合苯并环丁烯（BCB）平面化与共面射频电极（Ti/Au）制备完成器件。仿真端借助Crosslight PICS3D软件分析双氧化层结构与孔径尺寸对RC寄生参数的影响，并通过小信号调制测试与PAM-4眼图表征验证性能。
研究结果：从仿真推演到实验验证
3.1. 氧化层数量对调制带宽的影响
为优化电学与光学限制效果，研究比较了单层、双层与三层氧化结构的性能差异。仿真结果显示，氧化层位于驻波电场节点时可最小化光散射损耗，但额外氧化层会增加串联电阻并降低谐振腔Q因子。双层氧化结构在电容降低与电阻增加的博弈中取得最优解——相比单层结构显著减少寄生电容，又避免了三层结构的过度损耗，在所有测试电流下均表现出最佳频率响应，为后续设计奠定基础。
3.2. 氧化孔径尺寸的权衡艺术
缩小孔径是提升速度的直接手段。研究发现，4 μm孔径器件在8 mA偏置下实现35.68 GHz模拟带宽，远高于10 μm孔径的23.41 GHz（18 mA）。原因在于小孔径强化了载流子限制与微分增益，同时减小pn结面积以降低寄生电容。但代价也随之而来：4 μm孔径的功率-电流（P-I）曲线因电流密度过高提前进入热滚降（thermal rollover），提示实际应用中需在“速度”与“热可靠性”间寻找平衡。
3.3. 4 μm VCSEL的温度鲁棒性考验
作为优选设计，4 μm双氧化层VCSEL在25~85 ℃温区内经受严苛测试。升温导致阈值电流升高、峰值功率下降（材料增益效率降低与非辐射复合加剧），发射波长红移（热系数约0.0425 nm/℃）。尽管如此，器件在85 ℃仍保持27 GHz以上带宽，证明其具备适应数据中心高温环境的潜力。
3.4. 实测性能：仿真照进现实
制备的4 μm双氧化层器件（含Zn扩散工艺）展现出与仿真的高度吻合：室温下中心波长941.54 nm，小信号调制带宽达34 GHz（与预测的35 GHz误差极小）。更激动人心的是，在8 mA偏置下成功实现100 Gbit/s PAM-4传输——眼图中四个电平清晰分离，TDECQ（发射机色散眼图闭合度）仅为2.1 dB，标志着器件具备实际部署的高速传输能力。作者坦诚指出，极端电流下的加速老化限制了全参数扫描，但这并不影响其作为概念验证的价值。
结论与展望：为下一代光互连点亮“绿色通道”
本研究的核心价值在于打通了“理论设计-仿真优化-工艺落地”的全链路。通过Crosslight PICS3D仿真精准锁定双氧化层与4 μm孔径的最佳组合，再以Zn扩散工艺解决p-DBR电阻与横模控制问题，最终实现34 GHz带宽与100 Gbit/s PAM-4传输的里程碑突破。这不仅验证了仿真工具在高频器件设计中的指导意义，更展示了940 nm VCSEL在短距离光互连中的巨大潜力——尤其在硅基探测器友好波段、CMOS兼容性及高温稳定性上的综合优势。
尽管极端工况下的寿命挑战仍需攻克，但研究为后续优化指明了方向：通过等效电路建模量化寄生参数影响，或在稍低的电流密度下兼顾效率与可靠性。未来，这类高性能VCSEL有望成为数据中心、自动驾驶LiDAR（激光雷达）与生物传感领域的通用光源，让光互连真正成为数字时代的“超高速公路”。
