近期復旦大學信息科學與工程學院遲楠團隊聯(lián)合鵬城實驗室余少華院士與沙特阿卜杜拉國王科技大學Boon Ooi教授，在可見光通信關鍵光源器件研究方面取得了突破性進展，利用極性面氮化鎵（GaN）材料設計研制了一種具有大帶寬的窄脊短腔激光器（mini-LD），將高速光源的帶寬從1GHz左右提升到5.9GHz，實現(xiàn)單一芯片支持通信速率超過20 Gbps。
這一成果為高效能可見光通信系統(tǒng)和短波長光子集成提供了核心器件，該研究工作以《具有超過5GHz調(diào)制帶寬的高速氮化鎵基半導體激光器實現(xiàn)20Gbps可見光通信》（High-speed GaN-based laser diode with modulation bandwidth exceeding 5 GHz for 20 Gbps visible light communication）為題發(fā)表在《光子學研究》（Photonics Research）上。
無線通信中的頻段資源已經(jīng)十分緊張，在6G復雜的通信環(huán)境下傳統(tǒng)的無線通信也難以達到全面的高速覆蓋?？梢姽馔ㄐ牛╒isible Light Communication, VLC）作為一種無須授權頻段的高速通信技術，近年來受到廣泛關注，在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、AR/VR、電磁敏感區(qū)無線通信、低軌衛(wèi)星通信、水下無線光通信等領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。
VLC作為一種無線光通信技術，它通過對光源（如LED、LD）進行強度調(diào)制來傳遞信息，因此光源器件的帶寬直接制約了可見光通信系統(tǒng)的性能。藍光激光器是高速可見光通信系統(tǒng)的核心器件之一，由于材料體系和器件結(jié)構(gòu)不同，基于GaN的短波長激光器帶寬目前僅有約1 GHz，難以滿足未來高速通信的需求。
為了解決這一難題，遲楠教授團隊從激光器帶寬限制因素的物理機制出發(fā)，深入研究了InGaN/GaN量子肼結(jié)構(gòu)有源區(qū)設計方法與帶寬調(diào)控機制。對于氮化物量子阱與量子壘厚度，層數(shù)等對于激光器調(diào)制響應進行了研究，建立了器件仿真模型并進行了數(shù)值模擬分析。
研究團隊針對短波長激光器芯片的尺寸微縮技術開展研究，提出了大帶寬藍光激光芯片的設計思路，成功制備了脊狀波導寬度1.8 μm，諧振腔長500 μm的高速亞毫米藍光激光器（mini-LD）。
通過有源區(qū)的優(yōu)化設計與尺寸微縮，不僅保證了激光芯片具有優(yōu)異的電光轉(zhuǎn)換特性，同時大大提升了激光器的調(diào)制帶寬。
圖1 高速藍光Mini-LD芯片的（a）結(jié)構(gòu)設計；（b）激射光斑照片；（c）光學顯微鏡照片。
圖1（a）顯示了設計的藍光mini-LD芯片結(jié)構(gòu)示意圖，圖中對芯片有源區(qū)結(jié)構(gòu)進行了標識。這一芯片是在常用的極性面襯底上制備的，與昂貴的半極性面襯底相比，這一技術更適合未來的量產(chǎn)。
圖1 (b) 是制備的激光芯片在實驗室測試時的激射光斑，（c）圖是光學顯微鏡下觀察研制的mini-LD芯片，可看到表面光滑平整，兩側(cè)的諧振腔面平行度高，測量可知諧振腔腔長為500μm。
圖2 藍光激光器的電致發(fā)光光譜，發(fā)光波長為451nm。
團隊研制的mini-LD具有較低的閾值電流（31 mA）和較高的斜率效率(1.02 W/A)。激光器的光譜如圖2所示，激光器的激射波長為451nm。在所施加的電流范圍內(nèi)，激光器的峰值波長幾乎不隨偏置電流發(fā)生變化，表現(xiàn)出較為穩(wěn)定的輸出特性。
圖3激光器芯片本征頻率響應特性
圖3顯示了激光器的調(diào)制響應特性，140mA的偏置電流下，激光器的-3dB帶寬超過了5.9GHz，遠超Osram、Nichia等藍光激光器的調(diào)制帶寬。
利用該高速mini-LD芯片作為光源，研究團隊搭建了可見光通信測試系統(tǒng)，開展了數(shù)據(jù)傳輸性能測試。
采用離散多音頻調(diào)制結(jié)合比特加載技術，實現(xiàn)通信速率20.06 Gbps，誤碼率符合FEC門限。該研究結(jié)果對于未來高速可見光激光陣列通信在低軌衛(wèi)星通信以及大容量可見光互聯(lián)等應用具有重要意義。
復旦大學信息科學與工程學院的博士研究生王軍飛為本文的第一作者，遲楠教授團隊青年教師沈超等為本文通信作者。該工作得到了重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、上海市自然科學基金、中國移動研究院與中關村泛聯(lián)移動通信技術創(chuàng)新研究院等的支持。該合作研究也得到了復旦大學國際合作與交流處“雙一流”全球發(fā)展戰(zhàn)略推進項目的支持。（來源：復旦大學信息科學與工程學院遲楠團隊）
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