Energy-Efficient VCSELs for Optical Interconnects

این پایان نامه اولین تجزیه و تحلیل سیستماتیک راندمان انرژی دینامیکی لیزرهای ساطع کننده سطحی حفره عمودی (VCSEL) را برای اتصالات نوری ارائه می دهد، یک فناوری کلیدی برای پرداختن به مسائل مهم اکولوژیکی و اقتصادی مربوط به مصرف انرژی رو به رشد در مراکز داده . ارتباطات داده با مصرف انرژی یکی از مهم ترین زمینه ها در "فتونیک سبز" است که نرخ بیت بالاتر را با کاهش قابل توجه مصرف انرژی در هر بیت امکان پذیر می کند.

در این پایان نامه استاتیک و پویا خواص VCSELهای محدود شده با اکسید مبتنی بر GaAs که در 850 نانومتر و 980 نانومتر ساطع می‌کنند، تجزیه و تحلیل می‌شوند و قوانین کلی برای دستیابی به انتقال داده با انرژی کارآمد با استفاده از VCSEL در هر طول موجی مشتق شده‌اند. این قوانین در آزمایش‌های انتقال داده تأیید می‌شوند که منجر به ثبت انتقال داده با مصرف انرژی در طیف گسترده‌ای از فواصل فیبر نوری چند حالته و در دماهای بالا تا ۸۵ درجه سانتی‌گراد می‌شود.

معادل مهم بین بهره‌وری انرژی، پایداری دما، پهنای باند مدولاسیون، عملیات با چگالی جریان پایین و سایر ویژگی‌های VCSEL آشکار و مورد بحث قرار می‌گیرند.

This dissertation provides the first systematic analysis of the dynamic energy efficiency of vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) for optical interconnects, a key technology to address the pressing ecological and economic issues of the exponentially growing energy consumption in data centers. Energy-efficient data communication is one of the most important fields in “Green Photonics” enabling higher bit rates at significantly reduced energy consumption per bit.

In this thesis the static and dynamic properties of GaAs-based oxide-confined VCSELs emitting at 850 nm and 980 nm are analyzed and general rules for achieving energy-efficient data transmission using VCSELs at any wavelength are derived. These rules are verified in data transmission experiments leading to record energy-efficient data transmission across a wide range of multimode optical fiber distances and at high temperatures up to 85°C.

Important trade-offs between energy efficiency, temperature stability, modulation bandwidth, low current-density operation and other VCSEL properties are revealed and discussed.