基于高導(dǎo)熱碳化硅襯底的108GHz帶寬直接調(diào)制薄膜激光器

  基于高導(dǎo)熱碳化硅襯底的108GHz帶寬直接調(diào)制薄膜激光器

  ICC訊 相比于外接調(diào)制器的發(fā)射機(jī)而言，直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器(DMLs)由于其體積小和成本低的優(yōu)勢，更加受到業(yè)界和學(xué)術(shù)界的青睞，尤其是在短距光互聯(lián)場景下。隨著互聯(lián)網(wǎng)流量的不斷增加，DMLs調(diào)制帶寬的提升對實現(xiàn)高速光發(fā)射機(jī)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(dǎo)熱性的碳化硅襯底材料上實現(xiàn)了一種分布式反射薄膜激光器，實現(xiàn)了108GHz的調(diào)制帶寬。相關(guān)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(fā)表在Nature Photonics。

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

  技術(shù)突破

  DMLs的本征調(diào)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(yīng);

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

  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(qū)長度為50μm下(a)不引入光子共振效應(yīng)和(b)引入光子共振效應(yīng)下的器件小信號調(diào)制特性。

  在不引入光子共振效應(yīng)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(yīng)，3dB調(diào)制帶寬提升至108GHz。

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

  對器件進(jìn)行信號調(diào)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(diào)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(diào)制下，也能保持一個張開的眼圖。最終，通過結(jié)合薄膜激光器和光子共振效應(yīng)，本文的DMLs實現(xiàn)了調(diào)制帶寬為108GHz，速率為256Gbit/s的PAM-4信號調(diào)制。

  觀點評述

  在短距光互聯(lián)場景中，是選擇強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(IMDD)技術(shù)還是相干技術(shù)一直是討論的熱點。采用DMLs作為發(fā)射機(jī)的IMDD技術(shù)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(yīng)用。工業(yè)界一直傾向于探索能解決功耗和成本要求的新型相干結(jié)構(gòu)，如今年8月27日的“2020年新一代光傳送網(wǎng)發(fā)展論壇技術(shù)研討會” 上，華為提出的相干Bidi方案。從長遠(yuǎn)來看，相干一統(tǒng)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(shù)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(yùn)營商一些新的選擇。

  撰稿人 | Maikesiwei Yao

  論文題目 | 基于高導(dǎo)熱碳化硅襯底的108GHz帶寬直接調(diào)制薄膜激光器

  主要作者 | Suguru Yamaoka等

  完成單位 | 日本NTT公司