近期復旦大學資訊科學與工程學院遲楠團隊聯合鵬城實驗室餘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）材料設計研製了一種具有大頻寬的窄脊短腔雷射（mini-LD），將高速光源的頻寬從1GHz左右提升到5.9GHz，實現單一晶片支援通訊速率超過20 Gbps。

這項成果為高效可見光通訊系統和短波長光子整合提供了核心元件，該研究工作以《具有超過5GHz調變頻寬的高速氮化鎵基半導體雷射實現20Gbps可見光通訊》（High-speed GaN-based laser diode with modulation bandwidth exceeding 5 GHz for 20 Gbps visible light communication）為題發表在《光子學研究》（Photonics Research）上。

無線通訊中的頻段資源已經十分緊張，在6G複雜的通訊環境下傳統的無線通訊也難以達到全面的高速覆蓋。可見光通訊（Visible Light Communication, VLC）作為一種無須授權頻段的高速通訊技術，近年來受到廣泛關注，在工業物聯網、車聯網、AR/VR、電磁敏感區無線通訊、低軌衛星通訊、水下無線光通訊等領域展現廣闊的應用前景。

VLC作為一種無線光通訊技術，它透過對光源（如LED、LD）進行強度調製來傳遞訊息，因此光源元件的頻寬直接限制了可見光通訊系統的性能。藍光雷射是高速可見光通訊系統的核心元件之一，由於材料體系和裝置結構不同，基於GaN的短波長雷射頻寬目前僅有約1 GHz，難以滿足未來高速通訊的需求。

為了解決這個難題，遲楠教授團隊從雷射頻寬限制因素的物理機制出發，深入研究了InGaN/GaN量子肼結構主動區設計方法與頻寬調控機制。對於氮化物量子阱與量子壘厚度，層數等對於雷射器調製響應進行了研究，建立了裝置模擬模型並進行了數值模擬分析。

研究團隊針對短波長雷射晶片的尺寸微縮技術進行研究，提出了大頻寬藍光雷射晶片的設計思路，​​成功製備了脊狀波導寬度1.8 μm，諧振腔長500 μm的高速亞毫米藍光雷射（mini-LD ）。

透過主動區的最佳化設計與尺寸微縮，不僅保證了雷射晶片具有優異的電光轉換特性，同時大幅提升了雷射的調變頻寬。

 
圖1 高速藍光Mini-LD晶片的（a）結構設計；（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晶片結構示意圖，圖中對晶片有源區結構進行了標識。這款晶片是在常用的極性面襯底上製備的，與昂貴的半極性面基板相比，這項技術更適合未來的量產。

圖1 (b) 是製備的雷射晶片在實驗室測試時的激射光斑，（c）圖是光學顯微鏡下觀察開發的mini-LD晶片，可看到表面光滑平整，兩側的諧振腔面平行度高，測量可知諧振腔腔長為500μm。

圖2 藍光雷射的電致發光光譜，發光波長為451nm。

團隊開發的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)。雷射的光譜如圖2所示，雷射的激射波長為451nm。在施加的電流範圍內，雷射的峰值波長幾乎不會隨偏壓電流變化，表現出較穩定的輸出特性。 

圖3雷射晶片本徵頻率響應特性

圖3顯示了雷射的調變響應特性，140mA的偏壓電流下，雷射的-3dB頻寬超過了5.9GHz，遠超過Osram、Nichia等藍光雷射的調變頻寬。

利用此高速mini-LD晶片作為光源，研究團隊搭建了可見光通訊測試系統，進行了資料傳輸效能測試。

採用離散多音訊調變結合位元載入技術，實現通訊速率20.06 Gbps，誤碼率符合FEC閘限。此研究結果對於未來高速可見光雷射陣列通訊在低軌衛星通訊以及大容量可見光互聯等應用具有重要意義。

復旦大學資訊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計畫、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行動通訊技術創新研究院等的支持。這項合作研究也得到了復旦大學國際合作與交流處「雙一流」全球發展策略推進計畫的支持。 （資料來源：復旦大學資訊科學與工程學院遲楠團隊）