前沿| Nature Photonics：NTT开发出世界上最高速的直调激光器

研究背景

直调半导体激光器（DML）是一种性能优异的光信号发生器，其通过改变注入激光器的电流来直接控制激光器的输出光强，达到直接输出调制激光的目的。DML比使用外部调制的技术具有更高的发射效率，并且其功耗小、成本低，被广泛应用于数据中心的短距离光互连。随着数据流量的增加，DML的调制速度和带宽急需提升以满足高速的光信号发射的需求，尤其是在400GbE的应用中，实现100GBaud的高速运行是一个重要的目标。然而DML的3dB带宽在过去20多年中没有得到显著的提升，其调制速度要慢于外部调制发射器。

研究内容

图1. DML的俯视示意图、截面示意图。

这项工作创新性的将直调薄膜DR激光器与高热导率的SiC衬底集成（如图1所示），成功将DML的内部3dB带宽提升至60GHz，同时采用光子谐振作用，实现了高达108GHz的3dB带宽，并在475fJ bit-1的能量损耗下，实现了256Gbit s-1的四级脉冲振幅调制。该研究成果是全球第一实现3dB带宽超过100GHz的DML，并且其能够以低成本和低功耗的解决方案来应对目前预期的通信量增长，将有助于实现支持NTT IOWN概念的高容量光传输基础设施。

研究亮点

这项突破性工作的创新性技术要点在于磷化铟（InP）与碳化硅（SiC）异质集成衬底的研发。DML的带宽主要与弛豫振荡频率fr、阻尼系数r和RC时间常数有关。目前DML的带宽主要受限于弛豫振荡频率fr。弛豫振荡频率fr与激光器差分增益dg/dN、光模式限制因子Γ、光模式体积V等参数相关。

1990年代，由于激光活性层性能的改善，DML的3dB带宽提升至30GHz左右。近30年以来，提高3dB带宽发展方向大致分为两个方向。一是集中在优化量子阱结构以增大差分增益dg/dN；二是引入失谐加载效应（detuned-loading effect）以及光子谐振效应（photon-photon resonance）来增大调制强度，但如图2（a）和（b）图列出的DML的3dB带宽值的发展历程，过去30年以来DML的3dB带宽值均未取得较大突破。其中一个重要的限制因素在于，当获得的光学模式取得高限制因子（Γ，optical confinement factor）和低腔模体积（active volume，V）时，在大偏置电压下，器件产生的热量（由自加热效应引起）无法及时散去，这导致DML差分增益dg/dN降低。

图2 .（a）DML的3dB带宽随时间的发展；（b）采用失谐加载效应以及光子谐振效应的DML的3dB带宽随时间的发展。

为了解决上述散热瓶颈，研究人员致力于将激光器制备在碳化硅衬底上。通过在键合界面沉积40nm SiO2层，采用O2等离子体辅助键合的方式，实现InP基多层量子阱有源区与SiC衬底的键合。最终制备的激光器示意图以及SEM图如图3所示。

图3. DML的俯视示意图【3】、SEM图、截面示意图以及截面TEM图。

SiC衬底的导热率比传统技术方案使用的SiO2衬底高500倍，使得激光器在高的偏压电流注入下，仍不会因为自热效应而降低微分增益dg/dN。并且由于InP的折射率足够大，使得SiC与InP间形成的光学模式的限制因子Γ也与传统技术方案使用的SiO2取得的值几乎相同。由此DML的调制速率获得了突破性的提升。利用输出波导端面的光防窥设计，DML获得了108GHz的3dB带宽和2546Gbps的PAM4信号。研究人员在2 km距离做了传输实验，信号进入2 km单模光纤的传输损耗在O波段为0.8 dB，所需发射功率粗略估计约为8.7dBm，与预测的8.8dBm的光输出功率相当。该研究成果是全球第一实现3dB带宽超过100GHz的DML，并且其能够以低成本和低功耗的解决方案来应对目前预期的通信量增长，将有助于实现NTT 此前提出的Innovative Optical＆Wireless Network（IOWN）概念。未来将看到能够处理具有4或8个阵列的传输容量超过1 TB的下一代以太网标准的发射机的实现。

图4. DML的小信号带宽测试。（不同颜色曲线代表注入电流不同）