【前沿】复旦大学团队实现37.1 Gbps InGaN基Mini-LD可见光通信

GMPT, 2026/02/28

【摘要】 复旦大学信息科学与工程学院迟楠、沈超教授团队联合上海芯钬、沙特KAUST、鹏城实验室，针对InGaN基可见光激光二极管（LD）的带宽限制问题，提出了三周期量子阱（MQW）结合短腔长的系统性优化方案。研究通过调控载流子在多量子阱中的空间分布均匀性，降低了阻尼因子（Damping Factor），在离散多音频（DMT）调制下实现单波段37.1 Gbps的传输速率。相关成果发表于《Science China Information Sciences》。

一、载流子输运瓶颈：量子阱中的非均匀分布效应

在GaN基蓝光激光器的多量子阱有源区中，由于空穴迁移率远低于电子，且III族氮化物材料存在强极化场，导致电子和空穴在各量子阱中的空间分布极不均匀。这种载流子积累效应引发了明显的微分增益饱和：当注入电流增大时，受激辐射增益无法保持线性增长。

这种空间烧孔效应对器件的动态响应产生了直接限制。在传统结构中，这种量子限制导致的微分增益受限使得器件的-3dB带宽通常被限制在5-6 GHz量级，难以支撑30 Gbps以上的高阶信号传输。

二、物理驱动的协同设计：量子阱数量与波导层优化

针对上述物理限制，研究团队利用Nuwa TCAD工具，通过自洽k·p方法与三维载流子漂移-扩散方程对器件结构进行了参数化仿真。

1. 量子阱数量（MQW Number）优化： 仿真揭示了载流子注入均匀性与光学限制因子之间的权衡。单量子阱虽然具有高辐射速率，但光限制因子较低；而五阱及以上结构中，p侧量子阱占据了绝大部分载流子复合，导致n侧量子阱贡献低下（低贡献区）。三量子阱（3QWs）结构被确定为最优物理平衡点，能有效维持各阱间的载流子布居平衡，从而提升整体微分增益。

2. 50nm波导层设计： 波导层厚度直接影响载流子穿越至有源区的双极输运时间（${\tau }_s\backslash tau\_s$）。Nuwa TCAD仿真数据表明，将波导层厚度优化至50nm，可将${\tau }_s\backslash tau\_s$压缩至0.02ns量级，在维持2.3%光限制因子的同时，显著降低了频率响应中的低频滚降。

三、结构参数对阻尼因子的抑制作用

器件的带宽不仅取决于弛豫振荡频率，还受到阻尼因子（$KK$ factor）的限制。研究团队采用300μm短腔长设计，通过增大镜面损耗（${\alpha }_m\backslash alpha\_m$）来降低光子寿命（${\tau }_p\backslash tau\_p$），从而有效抑制阻尼。

实验测得该器件的阻尼因子降低至0.211ns，较此前公开报道的同类器件下降了约46%。小信号分析显示，其谐振频率与平方根电流注入呈良好的线性关系，证实了量子阱中微分增益得到了有效利用。

四、实验结果与传输性能评估

基于MOCVD生长的器件在140mA注入电流下，-3dB电光带宽达到8.43 GHz。在通信链路测试中，该器件展现了稳定的高性能传输能力：

• PAM-4调制： 传输速率达33 Gbps；
• DMT调制： 结合Levin-Campello算法进行比特-功率加载，在符合香农极限的谱效率（5.03 bit/s/Hz）下，实现了37.1 Gbps的峰值速率。

五、结论

该研究通过能带工程与微腔光子学的物理协同，系统性地解决了InGaN基激光器中有源区载流子输运受限的问题。Nuwa TCAD在量化微观物理过程、指导结构参数优化方面发挥了核心作用。该器件的研制成功，为高容量水下通信、6G无线光通信提供了可靠的硬件支撑。

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论文信息： Science China Information Sciences, 2026, Vol. 69, Iss. 3, 132405. DOI: 10.1007/s11432-025-4581-8.