中國科學院半導體所在高速直調半導體激光器研究方面取得新進展

（來源：第三代半導體產業）

最新成果

近年來，數據中心、智算中心等短距離光通信系統的數據流量呈現爆發式增長。單波長100 Gb/s以上速率的傳輸技術已在相關係統中實現規模化應用。作為大容量光通信系統的核心光源，InP基高速光發射器件展現出顯著的技術優勢。其中主流技術之一是採用高速直接調製激光器（DML）實現高速光發射功能。DML不僅具有結構簡單、工藝成熟的特點，還兼具成本效益高和適於大規模量產等突出優點。然而，要實現100 Gb/s以上的高速數據調製，通常需要藉助「失諧加載（Detuned Loading, DL）」和「光子-光子共振（Photon-Photon Resonance, PPR）」等效應來提升DML的帶寬性能。傳統技術方案採用「對接生長（Butt-joint growth）」工藝，通過在激光器內部集成無源波導反饋區來實現這一目標，但這一技術仍面臨工藝複雜、成本高、良品率控制困難等問題，嚴重製約了該結構的商業化應用。此外，當前大多數具有帶寬拓展功能的高速DML器件都採用多電極設計，雖然這種結構能夠有效擴展調製帶寬，但需要對器件工作條件進行極其精細的優化調節，這在一定程度上影響了器件的適用範圍。

近期，中國科學院半導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隊發表了一項研究成果，報道了一種基於DL效應的低成本1.3微米波段分佈式反饋（DFB）激光器。該研究創新性地在激光器器件上單片集成了無源DBR反射鏡（圖1），該反射鏡採用與DFB激光器區相同的InGaAlAs多量子阱（MQWs）材料。其製造流程與常規單區DFB激光器幾乎相同，無需複雜的對接生長工藝，顯著提高了生產良率，有效降低了製造成本。

論文截圖

該成果以「Transmissionof 100 Gb/s PAM4 Data Using a Low Cost Directly Modulated DFB Laser」為題，發表於《光子技術快報》（IEEE Photonics Technology Letters）。半導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）大於50 dB（圖2）。在100mA電流範圍內工作時無跳模狀態產生，工作狀態穩定。在15°C至55°C的溫度範圍內均能維持良好的單模工作特性。在20°C工作温度下，當驅動電流達到100mA時，其直接調製帶寬達29 GHz（圖3.a）。在40°C温度下，仍能保持約26 GHz的帶寬（圖3.b），展現了優異的温度適應性。多批次器件測試數據表明，該器件具有高度一致的直流特性和高頻響應特性。

3. 小信號調製響應，(a) 20°C，(b) 40°C

基於該器件成功實現了100 Gb/s PAM4數據傳輸實驗。實驗結果表明，在15°C和20°C環境温度下，該結構的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高温條件下，系統仍能穩定實現25公里傳輸。在短距離傳輸（<10 km）時，信號質量指標（TDECQ）保持在2.78 dB以下，符合高速通信系統的性能要求。

圖4. 100 Gb/s PAM4調製眼圖

該成果為數據中心、智算中心等短距離光通信系統提供了高性價比、易量產的高速光源解決方案。該研究工作得到了中國科學院戰略先導項目、國家重點研發項目以及國家自然科學基金項目的支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1109/LPT.2025.3600890