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NTT推出世界首个超100GHz带宽直调激光器

摘要:日本NTT公司与东京工业技术大学合作开发出一种新型薄膜激光器,在高导热碳化硅(SiC)衬底上使用了磷化铟(InP)化合物半导体。该激光器是世界第一台具备3dB带宽超100 GHz的直接调制激光器,可在超2km距离上每秒传输256吉比特。当前,直接调制激光器广泛引用在数据中心,但其调制速率存在的瓶颈,对进一步提高传输容量而言是一个问题。新型激光器使我们能够以低成本、低功耗的解决方案来应对预期的流量增长,并有助于实现支持NTT IOWN倡导的高容量光传输基础设施概念。

基于碳化硅衬底的薄膜激光器实现低功耗水平

  ICC讯(编译:Aiur) 10月20日消息,日本NTT公司与东京工业技术大学合作开发出一种新型薄膜激光器,在高导热碳化硅(SiC)衬底上使用了磷化铟(InP)化合物半导体。该激光器是世界第一台具备3dB带宽超100 GHz的直接调制激光器,可在超2km距离上每秒传输256吉比特。当前,直接调制激光器广泛引用在数据中心,但其调制速率存在的瓶颈,对进一步提高传输容量而言是一个问题。新型激光器使我们能够以低成本、低功耗的解决方案来应对预期的流量增长,并有助于实现支持NTT IOWN倡导的高容量光传输基础设施概念。该研究结果在2020年10月19日Nature Photonics上发表。

  研究背景

  未来,数据流量将持续增长,数据中心更是流量汇集之处。运营商不仅需要提升服务器光互连容量,还需要控制数据中心的功耗增长,因此降低光互连功耗就变得尤为重要。当前,直接调制激光器由于其低功耗和低成本而被广泛用在数据中心。然而,由于它们使用强度调制,其中光输出与注入激光器的电流成比例地变化,因此它们的调制速度受到弛豫振荡频率(relaxation oscillation frequency)的限制,弛豫振荡频率是载流子与光子之间的相互作用。图1显示了过去30年里直接调制激光器3-dB带宽的变化。在1990年代,激光器有源层的性能获得改善,使3-dB带宽提升至约30 GHz,但此后再也没有取得重大进展。

  由于业界认为难以进一步改善有源层的性能,因此光子与光子共振(photon-photon resonance)作为一种新型加速方法已获得业界关注。在该方法中,当激光模式与相邻腔模之间的失谐频率与特定的调制频率一致时,由强度调制产生的边带(sideband)被增强。 图2显示了应用光子与光子共振时3-dB带宽的变化。到目前为止,研究团队已经实现了55 GHz的3-dB带宽,并且112Gbps速率PAM4信号调制也已经获得验证。

  尽管可以通过调节失谐来增加特定频率的响应,但是从低频区域到高频区域必须具有平坦的频率响应特性,以进一步提高速度。 为此,重要的是增加弛豫振荡频率并防止弛豫振荡频率与光子-光子共振频率之间的大幅下降。

  研发结果

  为了增加弛豫振荡频率,NTT研究人员专注于有源区的光学限制因子,并在具有热氧化膜(SiO2)的硅(Si)基板上开发了薄膜激光器。 薄膜激光器在有源区域具有较大的光学限制因子,并且结构紧凑,从而实现低功耗的直接调制激光器。另一方面,由于该器件是在低热导率的SiO2层上制造的,所以由于注入电流而导致有源层的温度升高很大,即使电流增加,弛豫振荡频率也会由于差分增益导致在20GHz左右饱和。

  为了抑制有源区温度的升高,研究人员在碳化硅(SiC)基板上制造了基于铟磷(InP)的薄膜激光器(图3),其导热率比SiO2高约500倍。由于SiC的折射率低于InP的折射率,因此光学限制因子与SiO2上的器件的光学限制因子几乎相同。该器件是通过在InP和SiC衬底之间与超薄(40nm)SiO2直接键合来制造的。假设热源为100 mW,当SiO2的厚度从2微米减小到40纳米时,有源层长度为50微米的膜激光器的有效区域中的温度升高从130.9降低到16.8℃(图4)。对于在SiO2/Si衬底上制造的器件,弛豫频率达到最大值的电流为5.5 mA。相反,利用在SiC衬底上制造的器件,能够将电流增加至30-mA,并获得了世界上最高的42 GHz弛豫频率和60 GHz的3-dB频带(图5)。

  此外,利用来自输出波导端面的光反馈,NTT设计了一种在95 GHz附近发生光子与光子共振的设备。结果获得了108 GHz的3 dB带宽(图6)和256Gbps(2560亿比特)的PAM4信号,并在2 km距离内进行了传输(图7)。

  为了抑制有源区温度的升高,研究人员在碳化硅(SiC)基板上制造了基于铟磷(InP)的薄膜激光器(图3),其导热率比SiO2高约500倍。由于SiC的折射率低于InP的折射率,因此光学限制因子与SiO2上的器件的光学限制因子几乎相同。该器件是通过在InP和SiC衬底之间与超薄(40nm)SiO2直接键合来制造的。假设热源为100 mW,当SiO2的厚度从2微米减小到40纳米时(图4),有源层长度为50微米的膜激光器的有效区域中的温度升高从130.9降低到16.8℃。对于在SiO2/Si衬底上制造的器件,弛豫频率达到最大值的电流为5.5 mA。相反,利用在SiC衬底上制造的器件,能够将电流增加至30-mA,并获得了世界上最高的42 GHz弛豫频率和60 GHz的3-dB频带(图5)。

  此外,利用来自输出波导端面的光反馈,NTT设计了一种在95 GHz附近发生光子与光子共振的设备。结果获得了108 GHz的3 dB带宽(图6)和256Gbps(2560亿比特)的PAM4信号,并在2 km距离内进行了传输(图7)。

  未来发展

  未来将看到能够处理下一代以太网标准发送器的发展,发送器具有四个或八个阵列的传输容量超过1 TB。由于预期数据流量的增加,期望同时实现低功耗可以抑制数据中心和超级计算机的功耗增加。

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

内容来自:讯石光通讯咨询网
本文地址:http://www.iccsz.com//Site/CN/News/2020/10/25/20201025072649372303.htm 转载请保留文章出处
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