近年來，數(shù)據(jù)中心、智算中心等短距離光通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。單波長100 Gb/s以上速率的傳輸技術(shù)已在相關(guān)系統(tǒng)中實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。作為大容量光通信系統(tǒng)的核心光源，InP基高速光發(fā)射器件展現(xiàn)出顯著的技術(shù)優(yōu)勢。其中主流技術(shù)之一是采用高速直接調(diào)制激光器（DML）實現(xiàn)高速光發(fā)射功能。DML不僅具有結(jié)構(gòu)簡單、工藝成熟的特點，還兼具成本效益高和適于大規(guī)模量產(chǎn)等突出優(yōu)點。然而，要實現(xiàn)100 Gb/s以上的高速數(shù)據(jù)調(diào)制，通常需要借助“失諧加載（Detuned Loading, DL）”和“光子-光子共振（Photon-Photon Resonance, PPR）”等效應(yīng)來提升DML的帶寬性能。傳統(tǒng)技術(shù)方案采用“對接生長（Butt-joint growth）”工藝，通過在激光器內(nèi)部集成無源波導(dǎo)反饋區(qū)來實現(xiàn)這一目標(biāo)，但這一技術(shù)仍面臨工藝復(fù)雜、成本高、良品率控制困難等問題，嚴(yán)重制約了該結(jié)構(gòu)的商業(yè)化應(yīng)用。此外，當(dāng)前大多數(shù)具有帶寬拓展功能的高速DML器件都采用多電極設(shè)計，雖然這種結(jié)構(gòu)能夠有效擴(kuò)展調(diào)制帶寬，但需要對器件工作條件進(jìn)行極其精細(xì)的優(yōu)化調(diào)節(jié)，這在一定程度上影響了器件的適用范圍。

圖1. DML激光器器件結(jié)構(gòu)

近期，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所光電子材料與器件全國重點實驗室梁松研究員團(tuán)隊在《IEEE光子技術(shù)快報》（IEEE Photonics Technology Letters）上發(fā)表了一項研究成果，報道了一種基于DL效應(yīng)的低成本1.3微米波段分布式反饋（DFB）激光器。該研究創(chuàng)新性地在激光器器件上單片集成了無源DBR反射鏡（圖1），該反射鏡采用與DFB激光器區(qū)相同的InGaAlAs多量子阱（MQWs）材料。其制造流程與常規(guī)單區(qū)DFB激光器幾乎相同，無需復(fù)雜的對接生長工藝，顯著提高了生產(chǎn)良率，有效降低了制造成本。

圖2. 功率及光譜特性，(a) 不同溫度下的PIV特性，(b) 不同電流下的光譜結(jié)果，(c) 不同溫度下的光譜結(jié)果

該激光器在20°C時閾值電流為14 mA，100 mA下最大輸出光功率超過16 mW，邊模抑制比（SMSR）大于50 dB（圖2）。在100mA電流范圍內(nèi)工作時無跳模狀態(tài)產(chǎn)生，工作狀態(tài)穩(wěn)定。在15°C至55°C的溫度范圍內(nèi)均能維持良好的單模工作特性。在20°C工作溫度下，當(dāng)驅(qū)動電流達(dá)到100mA時，其直接調(diào)制帶寬達(dá)29 GHz（圖3.a）。在40°C溫度下，仍能保持約26 GHz的帶寬（圖3.b），展現(xiàn)了優(yōu)異的溫度適應(yīng)性。多批次器件測試數(shù)據(jù)表明，該器件具有高度一致的直流特性和高頻響應(yīng)特性。

圖3. 小信號調(diào)制響應(yīng)，(a) 20°C，(b) 40°C

 基于該器件成功實現(xiàn)了100 Gb/s PAM4數(shù)據(jù)傳輸實驗。實驗結(jié)果表明，在15°C和20°C環(huán)境溫度下，該結(jié)構(gòu)的DML在背靠背、10公里、25公里以及40公里單模光纖傳輸后均能獲得清晰睜開的眼圖（圖4）。即使在40°C高溫條件下，系統(tǒng)仍能穩(wěn)定實現(xiàn)25公里傳輸。在短距離傳輸（<10 km）時，信號質(zhì)量指標(biāo)（TDECQ）保持在2.78 dB以下，符合高速通信系統(tǒng)的性能要求。 

圖4. 100 Gb/s PAM4調(diào)制眼圖

該成果為數(shù)據(jù)中心、智算中心等短距離光通信系統(tǒng)提供了高性價比、易量產(chǎn)的高速光源解決方案。該成果以“Transmission of 100 Gb/s PAM4 Data Using a Low Cost Directly Modulated DFB Laser”為題，發(fā)表于《光子技術(shù)快報》（IEEE Photonics Technology Letters）。半導(dǎo)體所博士研究生李歡為該論文的第一作者，梁松研究員為該論文的通信作者。該研究工作得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)項目、國家重點研發(fā)項目以及國家自然科學(xué)基金項目的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1109/LPT.2025.3600890

（來源：中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所）