伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员近日证明，低温垂直腔面发射激光器（cryo-VCSEL）可为红外成像系统提供一种更节能的数据传输方式，同时有效降低热负荷。
相关研究成果近期发表于《IEEE光子学技术快报》，针对先进红外焦平面阵列（FPA）面临的日益严峻的技术挑战提出了新的解决思路。随着传感器分辨率和成像速度的持续提升，这类系统对数据传输速率的需求已超过每秒100吉比特。
传统电气互连方案依赖铜线链路，容易将热量传导至低温成像系统，进而提高噪声水平、增加制冷需求并加大功耗。为此，研究团队转而探索以低温VCSEL为基础的光互连技术。
论文作者刘博士指出："光互连技术通过激光将数据经由光纤传输，既能减少热量传导，又能维持高数据传输速率。"
研究团队在77开尔文和120开尔文的低温环境下对该器件进行了性能评估。结果显示，低温VCSEL在偏置电流低于4毫安的条件下，实现了超过50 GHz的3分贝调制带宽。该器件支持每通道112 Gb/s的PAM-4数据传输，信号失真较低，最高可在每通道138 Gb/s的速率下稳定运行。测试记录的TDECQ值分别为：77 K条件下3.42 dB，120 K条件下4.15 dB，均符合IEEE短距多模光通信标准的相关要求。
在能耗方面，研究人员估算该器件在77 K下每比特能耗约为68飞焦，在120 K下约为60飞焦，表明其在低温环境中具有出色的能效表现。
刘博士表示："这些结果充分说明，低温VCSEL光链路有望成为满足焦平面阵列高速数据通信需求的一种极具前景且具成本效益的解决方案。"
研究人员最终得出结论：基于低温VCSEL的光互连方案，可为低温红外焦平面阵列及其他需要在低温环境下运行的系统提供切实可行、具备成本优势的高速通信路径。
Q&A
Q1：低温VCSEL在高速数据传输中能达到什么性能指标？
A：根据研究结果，低温VCSEL在偏置电流低于4毫安的条件下，3分贝调制带宽可超过50 GHz，支持每通道112 Gb/s的PAM-4数据传输，最高可实现每通道138 Gb/s的传输速率。同时，77 K下的TDECQ值为3.42 dB，120 K下为4.15 dB，均符合IEEE短距多模光通信标准要求。
Q2：低温VCSEL光互连和传统铜线电气互连相比有什么优势？
A：传统铜线电气互连在应用于低温成像系统时，容易将热量传导至系统内部，导致噪声增加、制冷需求上升和功耗加大。而低温VCSEL光互连通过激光与光纤传输数据，能显著减少热量传导，同时维持高速数据传输能力，在77 K下每比特能耗仅约68飞焦，能效表现更为优越。
Q3：低温VCSEL技术主要适用于哪些应用场景？
A：低温VCSEL光互连技术主要面向需要在低温环境下运行的系统，尤其适用于红外焦平面阵列（FPA）的高速数据通信场景。随着传感器分辨率和成像速度不断提升，FPA对超过100 Gb/s的数据传输需求日益迫切，低温VCSEL有望成为该领域极具竞争力的解决方案。
