基于高导热碳化硅衬底的108GHz带宽直接调制薄膜激光器

  基于高导热碳化硅衬底的108GHz带宽直接调制薄膜激光器

  ICC讯 相比于外接调制器的发射机而言，直接调制半导体激光器(DMLs)由于其体积小和成本低的优势，更加受到业界和学术界的青睐，尤其是在短距光互联场景下。随着互联网流量的不断增加，DMLs调制带宽的提升对实现高速光发射机而言就尤为重要。来自日本NTT公司的Suguru Yamaoka等人在低折射率高导热性的碳化硅衬底材料上实现了一种分布式反射薄膜激光器，实现了108GHz的调制带宽。相关研究成果以题目“Directly modulated membrane lasers with 108GHz bandwidth on a high-thermal-conductivity silicon carbide substrate”于2020年10月19日发表在Nature Photonics。

  对于400G以太网(400GbE)而言，实现100GBaud的工作是一个重要的目标。然而，在过去的30年中，DMLs的调制带宽一直停留在40-60GHz的水平上。虽然DMLs经济实用性很强，但这种调制带宽对高速光通信而言是远远不够用的。因此，如何提升DMLs的带宽，对实现低成本高速率的短距光互连而言，意义重大。

  技术突破

  DMLs的本征调制速率受以下三个因素影响：

  (1)弛豫振荡频率fr;

  (2)阻尼效应;

  (3)RC(Resistance and Capacitance)时间常数。

  其中弛豫震荡频率起主要作用，其由公式(1)决定：

公式1

图1 DMLs透射电子显微镜图。

图2 有源区长度为50μm下(a)不引入光子共振效应和(b)引入光子共振效应下的器件小信号调制特性。

  在不引入光子共振效应时，器件大约能获得60GHz的本征带宽。通过在95GHz频率处引入光子共振效应，3dB调制带宽提升至108GHz。

图3 (a)背靠背中100Gbit/s 非归零码对器件进行调制，(b)PAM-4信号对器件进行调制。

  对器件进行信号调制实验表明，在速率为100Gbit/s的非归零码背靠背传输下，器件在25mA的调制电流下能获得消光比为3.7dB的眼图信号。同样，该器件在速率为256Gbit/s的PAM-4信号调制下，也能保持一个张开的眼图。最终，通过结合薄膜激光器和光子共振效应，本文的DMLs实现了调制带宽为108GHz，速率为256Gbit/s的PAM-4信号调制。

  观点评述

  在短距光互联场景中，是选择强度调制直接检测(IMDD)技术还是相干技术一直是讨论的热点。采用DMLs作为发射机的IMDD技术的功耗和成本很低。但随着高速光互连的到来，尤其是400GbE和800GbE场景下，DMLs的窄带宽限制了其在高速光互连的应用。工业界一直倾向于探索能解决功耗和成本要求的新型相干结构，如今年8月27日的“2020年新一代光传送网发展论坛技术研讨会” 上，华为提出的相干Bidi方案。从长远来看，相干一统江湖，势不可挡。

  但是，本文中演示的DMLs为高速光互连下阴霾的IMDD技术带来了一丝丝的光明，获得的超100GHz带宽的DML，也许会给400GbE下的运营商一些新的选择。

  撰稿人 | Maikesiwei Yao

  论文题目 | 基于高导热碳化硅衬底的108GHz带宽直接调制薄膜激光器

  主要作者 | Suguru Yamaoka等

  完成单位 | 日本NTT公司