基于高導熱碳化硅襯底的108GHz帶寬直接調制薄膜激光器

  基于高導熱碳化硅襯底的108GHz帶寬直接調制薄膜激光器

  ICC訊 相比于外接調制器的發射機而言，直接調制半導體激光器(DMLs)由于其體積小和成本低的優勢，更加受到業界和學術界的青睞，尤其是在短距光互聯場景下。隨著互聯網流量的不斷增加，DMLs調制帶寬的提升對實現高速光發射機而言就尤為重要。來自日本NTT公司的Suguru Yamaoka等人在低折射率高導熱性的碳化硅襯底材料上實現了一種分布式反射薄膜激光器，實現了108GHz的調制帶寬。相關研究成果以題目“Directly modulated membrane lasers with 108GHz bandwidth on a high-thermal-conductivity silicon carbide substrate”于2020年10月19日發表在Nature Photonics。

  對于400G以太網(400GbE)而言，實現100GBaud的工作是一個重要的目標。然而，在過去的30年中，DMLs的調制帶寬一直停留在40-60GHz的水平上。雖然DMLs經濟實用性很強，但這種調制帶寬對高速光通信而言是遠遠不夠用的。因此，如何提升DMLs的帶寬，對實現低成本高速率的短距光互連而言，意義重大。

  技術突破

  DMLs的本征調制速率受以下三個因素影響：

  (1)弛豫振蕩頻率fr;

  (2)阻尼效應;

  (3)RC(Resistance and Capacitance)時間常數。

  其中弛豫震蕩頻率起主要作用，其由公式(1)決定：

公式1

圖1 DMLs透射電子顯微鏡圖。

圖2 有源區長度為50μm下(a)不引入光子共振效應和(b)引入光子共振效應下的器件小信號調制特性。

  在不引入光子共振效應時，器件大約能獲得60GHz的本征帶寬。通過在95GHz頻率處引入光子共振效應，3dB調制帶寬提升至108GHz。

圖3 (a)背靠背中100Gbit/s 非歸零碼對器件進行調制，(b)PAM-4信號對器件進行調制。

  對器件進行信號調制實驗表明，在速率為100Gbit/s的非歸零碼背靠背傳輸下，器件在25mA的調制電流下能獲得消光比為3.7dB的眼圖信號。同樣，該器件在速率為256Gbit/s的PAM-4信號調制下，也能保持一個張開的眼圖。最終，通過結合薄膜激光器和光子共振效應，本文的DMLs實現了調制帶寬為108GHz，速率為256Gbit/s的PAM-4信號調制。

  觀點評述

  在短距光互聯場景中，是選擇強度調制直接檢測(IMDD)技術還是相干技術一直是討論的熱點。采用DMLs作為發射機的IMDD技術的功耗和成本很低。但隨著高速光互連的到來，尤其是400GbE和800GbE場景下，DMLs的窄帶寬限制了其在高速光互連的應用。工業界一直傾向于探索能解決功耗和成本要求的新型相干結構，如今年8月27日的“2020年新一代光傳送網發展論壇技術研討會” 上，華為提出的相干Bidi方案。從長遠來看，相干一統江湖，勢不可擋。

  但是，本文中演示的DMLs為高速光互連下陰霾的IMDD技術帶來了一絲絲的光明，獲得的超100GHz帶寬的DML，也許會給400GbE下的運營商一些新的選擇。

  撰稿人 | Maikesiwei Yao

  論文題目 | 基于高導熱碳化硅襯底的108GHz帶寬直接調制薄膜激光器

  主要作者 | Suguru Yamaoka等

  完成單位 | 日本NTT公司