NTT推出世界首個超100GHz帶寬直調(diào)激光器

基于碳化硅襯底的薄膜激光器實(shí)現(xiàn)低功耗水平

  ICC訊（編譯：Aiur） 10月20日消息，日本NTT公司與東京工業(yè)技術(shù)大學(xué)合作開發(fā)出一種新型薄膜激光器，在高導(dǎo)熱碳化硅(SiC)襯底上使用了磷化銦(InP)化合物半導(dǎo)體。該激光器是世界第一臺具備3dB帶寬超100 GHz的直接調(diào)制激光器，可在超2km距離上每秒傳輸256吉比特。當(dāng)前，直接調(diào)制激光器廣泛引用在數(shù)據(jù)中心，但其調(diào)制速率存在的瓶頸，對進(jìn)一步提高傳輸容量而言是一個問題。新型激光器使我們能夠以低成本、低功耗的解決方案來應(yīng)對預(yù)期的流量增長，并有助于實(shí)現(xiàn)支持NTT IOWN倡導(dǎo)的高容量光傳輸基礎(chǔ)設(shè)施概念。該研究結(jié)果在2020年10月19日Nature Photonics上發(fā)表。

  研究背景

  未來，數(shù)據(jù)流量將持續(xù)增長，數(shù)據(jù)中心更是流量匯集之處。運(yùn)營商不僅需要提升服務(wù)器光互連容量，還需要控制數(shù)據(jù)中心的功耗增長，因此降低光互連功耗就變得尤為重要。當(dāng)前，直接調(diào)制激光器由于其低功耗和低成本而被廣泛用在數(shù)據(jù)中心。然而，由于它們使用強(qiáng)度調(diào)制，其中光輸出與注入激光器的電流成比例地變化，因此它們的調(diào)制速度受到弛豫振蕩頻率(relaxation oscillation frequency)的限制，弛豫振蕩頻率是載流子與光子之間的相互作用。圖1顯示了過去30年里直接調(diào)制激光器3-dB帶寬的變化。在1990年代，激光器有源層的性能獲得改善，使3-dB帶寬提升至約30 GHz，但此后再也沒有取得重大進(jìn)展。

  由于業(yè)界認(rèn)為難以進(jìn)一步改善有源層的性能，因此光子與光子共振(photon-photon resonance)作為一種新型加速方法已獲得業(yè)界關(guān)注。在該方法中，當(dāng)激光模式與相鄰腔模之間的失諧頻率與特定的調(diào)制頻率一致時，由強(qiáng)度調(diào)制產(chǎn)生的邊帶(sideband)被增強(qiáng)。 圖2顯示了應(yīng)用光子與光子共振時3-dB帶寬的變化。到目前為止，研究團(tuán)隊已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了55 GHz的3-dB帶寬，并且112Gbps速率PAM4信號調(diào)制也已經(jīng)獲得驗(yàn)證。

  盡管可以通過調(diào)節(jié)失諧來增加特定頻率的響應(yīng)，但是從低頻區(qū)域到高頻區(qū)域必須具有平坦的頻率響應(yīng)特性，以進(jìn)一步提高速度。 為此，重要的是增加弛豫振蕩頻率并防止弛豫振蕩頻率與光子-光子共振頻率之間的大幅下降。

  研發(fā)結(jié)果

  為了增加弛豫振蕩頻率，NTT研究人員專注于有源區(qū)的光學(xué)限制因子，并在具有熱氧化膜(SiO2)的硅(Si)基板上開發(fā)了薄膜激光器。 薄膜激光器在有源區(qū)域具有較大的光學(xué)限制因子，并且結(jié)構(gòu)緊湊，從而實(shí)現(xiàn)低功耗的直接調(diào)制激光器。另一方面，由于該器件是在低熱導(dǎo)率的SiO2層上制造的，所以由于注入電流而導(dǎo)致有源層的溫度升高很大，即使電流增加，弛豫振蕩頻率也會由于差分增益導(dǎo)致在20GHz左右飽和。

  為了抑制有源區(qū)溫度的升高，研究人員在碳化硅(SiC)基板上制造了基于銦磷(InP)的薄膜激光器(圖3)，其導(dǎo)熱率比SiO2高約500倍。由于SiC的折射率低于InP的折射率，因此光學(xué)限制因子與SiO2上的器件的光學(xué)限制因子幾乎相同。該器件是通過在InP和SiC襯底之間與超薄(40nm)SiO2直接鍵合來制造的。假設(shè)熱源為100 mW，當(dāng)SiO2的厚度從2微米減小到40納米時，有源層長度為50微米的膜激光器的有效區(qū)域中的溫度升高從130.9降低到16.8℃(圖4)。對于在SiO2/Si襯底上制造的器件，弛豫頻率達(dá)到最大值的電流為5.5 mA。相反，利用在SiC襯底上制造的器件，能夠?qū)㈦娏髟黾又?0-mA，并獲得了世界上最高的42 GHz弛豫頻率和60 GHz的3-dB頻帶(圖5)。

  此外，利用來自輸出波導(dǎo)端面的光反饋，NTT設(shè)計了一種在95 GHz附近發(fā)生光子與光子共振的設(shè)備。結(jié)果獲得了108 GHz的3 dB帶寬(圖6)和256Gbps(2560億比特)的PAM4信號，并在2 km距離內(nèi)進(jìn)行了傳輸(圖7)。

  為了抑制有源區(qū)溫度的升高，研究人員在碳化硅(SiC)基板上制造了基于銦磷(InP)的薄膜激光器(圖3)，其導(dǎo)熱率比SiO2高約500倍。由于SiC的折射率低于InP的折射率，因此光學(xué)限制因子與SiO2上的器件的光學(xué)限制因子幾乎相同。該器件是通過在InP和SiC襯底之間與超薄(40nm)SiO2直接鍵合來制造的。假設(shè)熱源為100 mW，當(dāng)SiO2的厚度從2微米減小到40納米時(圖4)，有源層長度為50微米的膜激光器的有效區(qū)域中的溫度升高從130.9降低到16.8℃。對于在SiO2/Si襯底上制造的器件，弛豫頻率達(dá)到最大值的電流為5.5 mA。相反，利用在SiC襯底上制造的器件，能夠?qū)㈦娏髟黾又?0-mA，并獲得了世界上最高的42 GHz弛豫頻率和60 GHz的3-dB頻帶(圖5)。

  此外，利用來自輸出波導(dǎo)端面的光反饋，NTT設(shè)計了一種在95 GHz附近發(fā)生光子與光子共振的設(shè)備。結(jié)果獲得了108 GHz的3 dB帶寬(圖6)和256Gbps(2560億比特)的PAM4信號，并在2 km距離內(nèi)進(jìn)行了傳輸(圖7)。

  未來發(fā)展

  未來將看到能夠處理下一代以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送器的發(fā)展，發(fā)送器具有四個或八個陣列的傳輸容量超過1 TB。由于預(yù)期數(shù)據(jù)流量的增加，期望同時實(shí)現(xiàn)低功耗可以抑制數(shù)據(jù)中心和超級計算機(jī)的功耗增加。

  NTT公司原文鏈接：NTT公司原文鏈接：https://www.ntt.co.jp/news2020/2010e/201020a.html" target="_blank">https://www.ntt.co.jp/news2020/2010e/201020a.html