NTT推出世界首個超100GHz帶寬直調雷射器

2020-12-12 訊石光通訊網

基於碳化矽襯底的薄膜雷射器實現低功耗水平

  ICC訊（編譯：Aiur） 10月20日消息，日本NTT公司與東京工業技術大學合作開發出一種新型薄膜雷射器，在高導熱碳化矽(SiC)襯底上使用了磷化銦(InP)化合物半導體。該雷射器是世界第一臺具備3dB帶寬超100 GHz的直接調製雷射器，可在超2km距離上每秒傳輸256吉比特。當前，直接調製雷射器廣泛引用在數據中心，但其調製速率存在的瓶頸，對進一步提高傳輸容量而言是一個問題。新型雷射器使我們能夠以低成本、低功耗的解決方案來應對預期的流量增長，並有助於實現支持NTT IOWN倡導的高容量光傳輸基礎設施概念。該研究結果在2020年10月19日Nature Photonics上發表。

  研究背景

  未來，數據流量將持續增長，數據中心更是流量匯集之處。運營商不僅需要提升伺服器光互連容量，還需要控制數據中心的功耗增長，因此降低光互連功耗就變得尤為重要。當前，直接調製雷射器由於其低功耗和低成本而被廣泛用在數據中心。然而，由於它們使用強度調製，其中光輸出與注入雷射器的電流成比例地變化，因此它們的調製速度受到弛豫振蕩頻率(relaxation oscillation frequency)的限制，弛豫振蕩頻率是載流子與光子之間的相互作用。圖1顯示了過去30年裡直接調製雷射器3-dB帶寬的變化。在1990年代，雷射器有源層的性能獲得改善，使3-dB帶寬提升至約30 GHz，但此後再也沒有取得重大進展。

  由於業界認為難以進一步改善有源層的性能，因此光子與光子共振(photon-photon resonance)作為一種新型加速方法已獲得業界關注。在該方法中，當雷射模式與相鄰腔模之間的失諧頻率與特定的調製頻率一致時，由強度調製產生的邊帶(sideband)被增強。 圖2顯示了應用光子與光子共振時3-dB帶寬的變化。到目前為止，研究團隊已經實現了55 GHz的3-dB帶寬，並且112Gbps速率PAM4信號調製也已經獲得驗證。

  儘管可以通過調節失諧來增加特定頻率的響應，但是從低頻區域到高頻區域必須具有平坦的頻率響應特性，以進一步提高速度。 為此，重要的是增加弛豫振蕩頻率並防止弛豫振蕩頻率與光子-光子共振頻率之間的大幅下降。

  研髮結果

  為了增加弛豫振蕩頻率，NTT研究人員專注於有源區的光學限制因子，並在具有熱氧化膜(SiO2)的矽(Si)基板上開發了薄膜雷射器。 薄膜雷射器在有源區域具有較大的光學限制因子，並且結構緊湊，從而實現低功耗的直接調製雷射器。另一方面，由於該器件是在低熱導率的SiO2層上製造的，所以由於注入電流而導致有源層的溫度升高很大，即使電流增加，弛豫振蕩頻率也會由於差分增益導致在20GHz左右飽和。

  為了抑制有源區溫度的升高，研究人員在碳化矽(SiC)基板上製造了基於銦磷(InP)的薄膜雷射器(圖3)，其導熱率比SiO2高約500倍。由於SiC的折射率低於InP的折射率，因此光學限制因子與SiO2上的器件的光學限制因子幾乎相同。該器件是通過在InP和SiC襯底之間與超薄(40nm)SiO2直接鍵合來製造的。假設熱源為100 mW，當SiO2的厚度從2微米減小到40納米時，有源層長度為50微米的膜雷射器的有效區域中的溫度升高從130.9降低到16.8℃(圖4)。對於在SiO2/Si襯底上製造的器件，弛豫頻率達到最大值的電流為5.5 mA。相反，利用在SiC襯底上製造的器件，能夠將電流增加至30-mA，並獲得了世界上最高的42 GHz弛豫頻率和60 GHz的3-dB頻帶(圖5)。

  此外，利用來自輸出波導端面的光反饋，NTT設計了一種在95 GHz附近發生光子與光子共振的設備。結果獲得了108 GHz的3 dB帶寬(圖6)和256Gbps(2560億比特)的PAM4信號，並在2 km距離內進行了傳輸(圖7)。

  為了抑制有源區溫度的升高，研究人員在碳化矽(SiC)基板上製造了基於銦磷(InP)的薄膜雷射器(圖3)，其導熱率比SiO2高約500倍。由於SiC的折射率低於InP的折射率，因此光學限制因子與SiO2上的器件的光學限制因子幾乎相同。該器件是通過在InP和SiC襯底之間與超薄(40nm)SiO2直接鍵合來製造的。假設熱源為100 mW，當SiO2的厚度從2微米減小到40納米時(圖4)，有源層長度為50微米的膜雷射器的有效區域中的溫度升高從130.9降低到16.8℃。對於在SiO2/Si襯底上製造的器件，弛豫頻率達到最大值的電流為5.5 mA。相反，利用在SiC襯底上製造的器件，能夠將電流增加至30-mA，並獲得了世界上最高的42 GHz弛豫頻率和60 GHz的3-dB頻帶(圖5)。

  此外，利用來自輸出波導端面的光反饋，NTT設計了一種在95 GHz附近發生光子與光子共振的設備。結果獲得了108 GHz的3 dB帶寬(圖6)和256Gbps(2560億比特)的PAM4信號，並在2 km距離內進行了傳輸(圖7)。

  未來發展

  未來將看到能夠處理下一代乙太網標準發送器的發展，發送器具有四個或八個陣列的傳輸容量超過1 TB。由於預期數據流量的增加，期望同時實現低功耗可以抑制數據中心和超級計算機的功耗增加。

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

相關焦點

  • DOCOMO和羅德與施瓦茨建立了首個用於超過100GHz的超寬帶信道探測器
    打開APP DOCOMO和羅德與施瓦茨建立了首個用於超過100GHz的超寬帶信道探測器 發表於 2018-12-05 13:41:25
  • 聯盟單位IPG推出新款創紀錄的超緊湊系列雷射器
    作為高功率光纖雷射器和放大器的領導者，江蘇雷射聯盟單位IPG Photonics公司（納斯達克：IPGP）宣布推出新款YLR－U系列近紅外1μm光纖雷射器。YLR－U系列是全球性能最高的工業級千瓦級連續摻鐿光纖雷射器。
  • 高通攜手NTT DOCOMO在日本實現全球首個5G Sub-6GHz載波聚合商用
    12月7日消息 ，高通技術公司和NTT DOCOMO今日宣布，雙方攜手在日本實現了全球首個5G Sub-6GHz載波聚合的商用，即日起可為DOCOMO用戶帶來數千兆比特的移動體驗。該服務基於5G Sub-6GHz載波聚合實現，利用了DOCOMO多樣化的頻譜資源，將n78頻段中的100MHz帶寬載波和n79頻段中的100MHz帶寬載波進行聚合，從而提升5G性能和網絡容量。5G Sub-6GHz載波聚合的部署，連同今年9月DOCOMO開始商用運營的28GHz 5G毫米波頻段，將釋放5G的全部潛能並支持DOCOMO在5G服務領域加速部署。
  • 是誰偷走了你的帶寬?
    ，但為什麼電腦最高網速也就和2.4ghz的無線一個速度而不能達到5Ghz那個速度呢？關於帶寬與實際網速寬帶運營商在銷售寬帶的時候採用的單位是Mbps，是Million bits per second的縮寫，是一種傳輸速率單位，指每秒傳輸的位（比特）數量。
  • 創鑫雷射推出國產首臺EtherCAT總線型萬瓦雷射器
    創鑫雷射萬瓦中國行目前已經走過了4個城市，在與客戶深談的過程中，他們非常欣喜的跟我們分享了萬瓦雷射器給他們帶來的收穫，其中也提到了一些問題，比如：雷射器插線麻煩、線束凌亂，操作控制繁瑣。 目前，創鑫雷射結合主流工業乙太網EtherCAT技術，推出了國產首臺搭載EtherCAT總線的萬瓦雷射器，也是國內首家實現此技術的雷射器品牌，只需要一根網線控制即可，現已通過切割平臺實操測試，並即將投入市場。
  • 世界第1臺「超手性光」雷射器誕生
    超表面軌道角動量光雷射器示意圖如圖5.所示，是產生高純度渦旋光雷射器的示意圖。一個常見的Nd：YAG半導體固體雷射器腔，利用非線性KTP晶體實現倍頻轉換，輸出532納米的綠光。超表面J-板被放置在綠色諧振腔內，用來提供一個幾何相位，就這樣一個產生可見光的超表面輔助雷射器完成了。其最主要的是利用了超表面J-板，能夠實現將SAM和OAM的耦合。
  • NTT成功實現美國職業棒球大聯盟季後賽直播的超現實觀看體驗
    完整新聞稿可在以下網址查閱：https://www.businesswire.com/news/home/20191007005873/en/ 這項夥伴關係的一個重要基礎是雙方有意在智能世界(Smart World)時代創造新的球迷體驗。
  • 常用光纖雷射器簡介
    包層泵浦技術，由四個層次組成:①光纖芯;②內包層;③外包層;④保護層。如圖（1）所示，將泵光耦合到內包層（內包層一般採用異形結構，有橢圓形、方形、梅花形、D形及其六邊形等等）,光在內包層和外包層（一般設計為圓形） 之間來回反射,多次穿過單模纖芯被其吸收。
  • CIOE2020 | Phononic-富泰科技:TEC溫控技術助力高性能、大帶寬5G...
    Phononic小尺寸、高密度、低功耗、高性價比的TEC產品已經在光纖通信市場上大規模的應用，將繼續助力高性能、大帶寬、高可靠性的5G無線網絡技術發展和部署，以及提供在接入網、大型數據中心、相干傳輸等應用的全系列產品，滿足客戶不同封裝需求的高性能TEC產品解決方案。
  • 中紅外超快光纖雷射器
    中紅外光纖雷射器材料的進一步研究的問題：改進提純工藝，降低玻璃和光纖光學損耗。稀土離子在中紅外區的發光要求基質材料具有很低的聲子能量。常規的氧化物玻璃包括重金屬氧化物玻璃都無法滿足這一條件，無氧玻璃(包括氟化物和硫化物玻璃)因此受到重視。
  • 英特爾推出首個一體封裝光學乙太網交換機 針對超大規模數據中心...
    打開APP 英特爾推出首個一體封裝光學乙太網交換機 針對超大規模數據中心進行優化 英特爾 發表於 2020-03-07 09:29:26
  • 驚人的飛秒雷射器
    但是1980年代末通過飛秒雷射器直接證明了它的存在，這是用飛秒雷射器查明化學反應的一個例子。如環戊酮分子經活性化狀態分解為一氧化碳與2個乙烯分子。　　現在飛秒雷射器還應用於物理、化學、生命科學、醫學、工程等廣泛領域，特別是光與電子攜手，期待在通信或計算機、能源領域開闢各種新的可能性。這是因為光的強度幾乎可以毫不損耗地從一地到另一地傳輸大量信息，使光通信進一步高速化。
  • VCSEL雷射器在3D Sensing攝像頭上的應用,帶動相關市場迎來爆發
    而與傳統邊發射雷射器相比，VCSEL 在光束質量、與光纖耦合效率、腔面反射率上都具有較大優勢，且因為VCSEL發射光線垂直於襯底而邊發射雷射器發射光線平行於襯底，因此 VCSEL 能夠實現二維陣列而邊發射雷射器不行。
  • 國外用世界首個矽雷射器打造光子晶片,可將光通信速度提高千倍
    不過，在晶片中使用光需要集成雷射器，但計算機晶片的主要半導體材料矽在發光方面效率極低，因此矽長期以來被認為在光子學中不起作用，而光子晶片也遲遲沒能成為現實。　　於是，科學家們開始轉向了能隙寬的半導體，例如砷化鎵和磷化銦，兩者都擅長發光。
  • Lumentum推100G PAM4非製冷EML和50G PAM4 VCSEL/DML
    Lumentum是首家推出且量產面向100G PAM4應用的高性能外部調製雷射器(EML)的提供商。Lumentum的50G PAM4垂直腔面發射雷射器(VCSEL)具有高性能、突破性的客戶價值和量產能力。
  • 解讀光纖雷射器|20KW與12KW切割應用效率與成本收益
    自2013年，銳科攻克萬瓦雷射器核心技術，研製成功中國首臺萬瓦連續光纖雷射器，到2018年12000W雷射器實現量產，20000W光纖雷射器及其核心器件研發項目通過湖北省科技廳組織的專家驗收，銳科雷射在高功率連續光纖雷射器方面不斷做出突破，12000W雷射器銷量國內領先，並得到了廣大用戶的一致好評。
  • 深度好文:大功率半導體雷射器研究進展!
    半導體雷射歷經五十餘年發展，作為一個世界前沿的研究方向，伴隨著國際科技進步突飛猛進的發展，也受益於各類關聯技術、材料與工藝等的突破性進步。德國 Limo 採用 38 個傳導熱沉封裝雷射器線陣，形成 8 個線陣合束單元，實現了 200 μm 芯徑、0． 22 數值孔徑的光纖的 1 200 W功率輸出。德國 Dilas 採用 28 個雷射器線陣，實現了 200 μm 芯徑、0.22 數值孔徑的光纖的 775 W 功率單波長雷射輸出，然後通過波長合束，實現了 500 μm 芯徑、0.12 數值孔徑的光纖的 3 835 W 連續功率輸出。