日本电报电话公司(NTT)与东京工业大学未来科学与技术跨学科研究实验室教授Fumio Koyama合作开发了使用铟磷的超高速薄膜激光器,是一种具有高导热率的碳化硅衬底的化合物半导体。这种激光器是世界上第一个直接调制的激光器,其3 dB带宽超过100 GHz,可以在单模光纤中以256吉比特(2560亿比特)的速度每秒传输2公里。


现在,直接调制激光器已广泛用于数据中心,但其调制速度受到限制,这对于进一步提高传输容量一直是一个问题。这些结果将使我们能够以低成本和低功耗的解决方案来应对预期的通信量增长,并有助于实现支持NTT IOWN概念的高容量光传输。


2020年10月19日的《自然光子学》报道了这项研究。


未来数据流量将继续增加,尤其是在数据集中的数据中心中。因此,增加连接服务器的光互连的容量至关重要。此外,必须抑制数据中心的功耗增加,因此降低光互连的功耗很重要。当前,直接调制激光器由于其低功耗和低成本而被广泛用于数据中心。但是,由于它们使用强度调制,其中输出的光(光子)与注入激光器的电流(载流子)成正比,因此它们的调制速度受到光调制的限制。弛豫振荡频率,它是载流子与光子之间的相互作用。图1显示了过去30年中直接调制激光器的3 dB带宽的变化。在1990年代,激光活性层的性能得到了改善,产生了约30 GHz的3 dB带宽,但是此后没有取得重大进展。


全球最快直接调制激光器问世 带宽超过100 GHz


图1. DML的3 dB带宽趋势。


由于认为难以进一步提高有源层的性能,因此光子-光子共振作为一种额外的加速方法已引起关注。在这种方法中,当激光模式和相邻腔模式之间的频率失谐与特定的调制频率一致时,由强度调制产生的边带被增强。图2显示了应用光子-光子共振时3-dB带宽的变化。到目前为止,已经实现了55 GHz的3 dB带宽,并且已经证明了112吉比特/秒的PAM4信号调制。


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图2.使用其他加速方案的DML的3-dB带宽趋势。


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的下降。


研究成果


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(SiO 2)的硅(Si)基板上开发了膜激光器。膜激光器在有源区具有较大的光学限制因子,并且结构紧凑,从而可以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SiO 2层上制造的,所以由于电流注入而引起的有源层中的温度升高很大,并且即使电流增大,弛豫振荡频率也会在约90℃处饱和。由于差分增益饱和而达到20 GHz。


为了抑制有源区温度的升高,我们在碳化硅(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SiO 2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SiO 2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(40纳米)SiO 2直接键合而制成的。假设有100 mW的热源,当SiO 2浓度为50微米时,膜激光器的有效区域中的温度升高从130.9降低到16.8˚C。厚度从2微米减小到40纳米(图4)。对于在SiO 2 / 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 。相比之下,使用在SiC衬底上制造的器件,我们能够将电流增加到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)。


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图3.器件示意图以及制成的器件的SEM和TEM图像。


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图4.当我们假设一个100 mW的热源时,有源层长度为50微米的薄膜激光器的有源区域的温度升高。


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图5.器件的激光光谱和小信号响应,在小平面上没有反射。


此外,利用来自输出波导端面的光反馈,我们设计了一种在95 GHz附近发生光子-光子共振的设备。结果,我们获得了108 GHz的3 dB带宽(图6),并成功生成了256吉比特(2560亿比特)的PAM4信号并在2 km的距离内进行了传输(图7)。


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图6.器件的激光光谱和小信号响应,在小平面上有反射。


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图7.生成256 Gbit / s PAM-4信号以及背对背和2公里传输的误码率测量结果。在虚线以下的误码率下,可以使用FEC正确地传输数据。


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发展。由于预期的数据量的增加,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。


技术要点


1. SiC衬底上的膜激光器


如图3所示,膜激光器是在低折射率材料上制成的总厚度约为300nm的激光器(是传统激光器的1/10)。有源区嵌入在InP层中,并且形成横向电流注入结构。由于薄膜激光器夹在低折射率层之间,因此在有源区中产生的光(光子)被强烈限制在其中。除此之外,由于注入的载流子也紧密地限制在有源层中,因此可以期望低功耗和直接调制激光器的高速调制。图8显示了在SiO 2和SiC上的膜激光器中的光模场。如图所示,尽管SiC的热导率约为SiO 2的500倍,光学限制相似。


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图8. SiO 2和SiC上器件的光学模式场。


2.制作方法


SiC和InP使用氧等离子体直接键合到SiO 2上。尽管SiO 2提供了良好的结合强度,但重要的是由于其低的热导率使其尽可能薄。为了防止由于粘接后温度上升而产生的废气引起的膜剥离,我们成功在基板上形成了凹槽。


图9显示了制造过程。首先,在直接键合之后去除InP衬底(a)。然后,保留激光器的核心区域中的有源层,并且将有源层蚀刻掉至其他区域中的下部InP层(b)。InP在暴露InP层的表面上选择性地重新生长。这将有源层嵌入InP层(c)。然后通过选择性地形成掺杂区,光栅和电极(d)来制造该器件。


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图9.制作程序。


3.腔光子寿命设计


当弛豫振荡频率增加时,直接调制激光器的频率响应受到光子寿命(光子被限制在腔中的时间)以及有源层增益的非线性饱和的限制。在本实验中,我们集中于光子寿命。图10显示了更改腔中光子寿命时计算出的频率响应特性。在计算中,弛豫振荡频率保持恒定在40 GHz。如图所示,可以通过将光子寿命设置为大约1皮秒来最大化3 dB带宽。


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图10.改变腔中光子寿命时的频率响应特性。在计算中,弛豫振荡频率保持恒定在40 GHz。


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