新型激光器以更低的热量快速传输数据

焦平面阵列（FPA）是一种将红外光转换为电信号以生成实时热图像的温度传感器，广泛应用于监控、天文观测和工业监测等领域。低温焦平面阵列的进步已实现更高分辨率、灵敏度和更快的成像速度，但同时也要求超过 100 吉比特每秒的数据速率。用于支撑这些需求的传统电互连会通过铜连接增加热负荷，这些热量可能渗入焦平面阵列，导致噪声升高，并推高冷却需求和功耗。

在此背景下，一项于 2026 年 3 月 27 日发表在《IEEE Photonics Technology Letters》上的新研究探索了用于焦平面阵列高带宽光互连的低温垂直腔面发射激光器（cryo‑VCSEL）。来自美国伊利诺伊大学厄巴纳‑香槟分校的作者 Liu 解释道：“光互连能够在保持高数据速率的同时减少热量传递。低温 VCSEL 在低温下具有尺寸小、带宽高和每比特能耗低的特点。”

VCSEL 是一种半导体激光二极管，可垂直于芯片表面发射高质量圆柱形激光束，并以低功耗著称。本研究中，研究人员开发了一种具有 4.5 微米氧化孔径和半波长腔的 VCSEL，并在 77 K 至 120 K 的温度范围内评估了其用于 PAM-4 数据传输的性能。

实验表明，该器件在输入电流和光输出之间保持了基本线性和平滑的关系。该 VCSEL 在 77 K 时实现了 13.35 毫瓦的最大光功率输出，在 120 K 时为 10.42 毫瓦，输出功率随温度升高而降低。

该器件在这两个温度下还展现出出色的高频性能，在保持低能耗的同时实现了超过 50 吉赫兹的 3 分贝调制带宽。值得关注的是，研究人员演示了使用 PAM‑4 调制可实现每通道高达 138 Gb/s 的数据传输速率，并满足 IEEE 短距离多模通信标准。该系统还支持每通道 112 Gb/s 的低信号失真传输，并以约 60–68 飞焦/比特的低能耗运行。

Liu 表示：“这些结果表明，低温 VCSEL 光链路可以为焦平面阵列中的高速数据通信提供一种高性价比解决方案，并且还可能在低温计算领域发挥作用，作为常温外设与低温电子器件之间的接口。”

总体而言，这项研究突出了基于低温 VCSEL 的光链路作为低温环境下高速、高能效数据通信实用解决方案的潜力。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1109/lpt.2026.3678474