Институт полупроводников Китайской академии наук добился новых успехов в исследованиях высокоскоростных полупроводниковых лазеров с прямой модуляцией
2025-10-15
В последние годы трафик данных в системах оптической связи малой дальности, таких как центры обработки данных и интеллектуальные вычислительные центры, пережил бурный рост. В этих системах широко используются технологии передачи данных, способные обеспечивать скорость передачи данных на одной длине волны более 100 Гбит/с. Высокоскоростные оптические передатчики на основе InP, являясь основным источником излучения для высокопроизводительных систем оптической связи, демонстрируют значительные технологические преимущества. Одной из основных технологий является использование высокоскоростных лазеров с прямой модуляцией (ЛПМ) для достижения высокоскоростной оптической передачи. ЛПМ не только отличаются простой структурой и отработанной технологией, но и обладают значительными преимуществами, такими как высокая экономическая эффективность и пригодность для крупномасштабного массового производства. Однако для достижения высокоскоростной модуляции данных со скоростью свыше 100 Гбит/с обычно требуется использование таких эффектов, как расстроенная нагрузка (ЛР) и фотон-фотонный резонанс (ФФР), для повышения пропускной способности ЛПМ. Традиционные подходы достигают этой цели за счёт интеграции пассивной области обратной связи волновода в лазер с использованием процесса «стыкового выращивания». Однако эта технология по-прежнему сталкивается с такими проблемами, как сложная обработка, высокая стоимость и трудности с контролем выхода годных, что серьёзно ограничивает коммерческое применение этой структуры. Более того, большинство современных высокоскоростных DML-устройств с расширением полосы пропускания используют многоэлектродную конструкцию. Хотя такая структура эффективно расширяет полосу модуляции, она требует чрезвычайно точной оптимизации рабочих условий устройства, что ограничивает область его применения.
Недавно исследовательская группа под руководством исследователя Лян Суна из Национальной ключевой лаборатории оптоэлектронных материалов и приборов Института полупроводников Китайской академии наук опубликовала в журнале IEEE Photonics Technology Letters исследование, в котором сообщается о недорогом 1,3-мкм лазере с распределённой обратной связью (DFB), основанном на эффекте DL. В этом исследовании инновационным образом монолитно интегрируется пассивный DBR-отражатель (рисунок 1) в лазерное устройство. В этом отражателе используется тот же материал InGaAlAs с множественными квантовыми ямами (МКЯ), что и в области DFB-лазера. Процесс его изготовления практически идентичен процессу изготовления обычных однозонных DFB-лазеров, что исключает необходимость в сложных процессах выращивания встык. Это значительно повышает выход готовой продукции и эффективно снижает производственные затраты.
Лазер имеет пороговый ток 14 мА при 20 °C, максимальную выходную оптическую мощность более 16 мВт при 100 мА и коэффициент подавления боковых мод (SMSR) более 50 дБ (рисунок 2). В диапазоне токов 100 мА скачков мод не происходит, что обеспечивает стабильную работу. Отличный одномодовый режим поддерживается в диапазоне температур от 15 °C до 55 °C. При 20 °C, когда ток возбуждения достигает 100 мА, его полоса прямой модуляции достигает 29 ГГц (рисунок 3a). При температуре 40 °C он поддерживает полосу пропускания около 26 ГГц (рис. 3b), демонстрируя отличную температурную адаптивность. Испытательные данные нескольких партий устройств демонстрируют высокую стабильность характеристик постоянного тока и высокочастотного отклика.
Это устройство успешно продемонстрировало передачу данных PAM4 со скоростью 100 Гбит/с. Экспериментальные результаты показывают, что при температуре окружающей среды 15 °C и 20 °C структура DML обеспечивает чёткие, открытые глазковые диаграммы после передачи данных по одномодовому волокну на расстояние 10, 25 и 40 км (рис. 4). Даже при высокой температуре 40 °C система обеспечивает стабильную передачу на расстояние до 25 км. На коротких расстояниях передачи (менее 10 км) индекс качества сигнала (TDECQ) остаётся ниже 2,78 дБ, что соответствует требованиям к характеристикам высокоскоростных систем связи.
Это достижение представляет собой экономичное, легко производимое в больших объемах решение для высокоскоростного оптического источника для систем оптической связи на короткие расстояния, таких как центры обработки данных и интеллектуальные вычислительные центры. Статья под названием «Передача данных PAM4 со скоростью 100 Гбит/с с использованием недорогого лазера с прямой модуляцией DFB» была опубликована в журнале IEEE Photonics Technology Letters. Ли Хуань, докторант Института полупроводников, является первым автором статьи, а научный сотрудник Лян Сун – соавтором-корреспондентом. Исследование было поддержано Программой стратегических приоритетных исследований Китайской академии наук, Национальной программой ключевых исследований и разработок Китая и Национальным естественнонаучным фондом Китая.
