OFC2025 | 量子点梳状激光器推进O波段数据传输

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引言
9 L& J, L" l& v( T; d! n9 r& T光互连技术在现代数据中心中非常重要，对更高带宽和能效的需求不断增加。本文将探讨光互连技术的一项重要进展：在O波段（1260-1360 nm）运行的量子点梳状激光器。这些先进的光源能够实现多通道数据传输，同时利用光纤中最小的色散，使其成为下一代光互连的理想选择[1]。
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量子点梳状激光器简介
量子点技术代表了半导体激光器发展的重要进步。与传统半导体激光器不同，量子点激光器利用纳米级半导体颗粒（量子点）作为有源介质。这些结构提供了多项优势，包括更宽的增益谱、更低的阈值电流和更低的温度敏感性。

梳状激光器能够从单个腔体同时产生多个波长通道，无需为每个波长通道使用单独的激光器。这一特性使其在波分复用（WDM）应用中特别有价值，在这些应用中，多个数据流通过单根光纤中的不同波长传输。
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O波段对短距离光互连特别重要，因为光纤在这个波长范围内表现出最小的色散，无需复杂的色散补偿即可简化系统设计。

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器件结构和制造
本文描述的量子点梳状激光器是一种长度为400 μm的InAs/GaAs法布里-珀罗单模激光器，具有4 μm宽的台面。激光器分为两个电隔离部分：增益区和吸收区。
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图1. (a)显示了25°C下的LIV曲线，展示了在不同吸收区偏置电压下，光纤耦合总光功率和正向电压与正向电流的关系；(b)展示了在I = 210 mA、Uabs = 4.0 V、T = 25°C条件下测量的24条梳状线的光谱，展示了宽广的光谱带宽；(c)展示了在I = 210 mA、T = 25°C条件下，梳状线数量和每线平均（光纤耦合）功率与吸收区电压的关系。
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激光器的劈裂面经过特殊涂层处理，确保吸收区侧面有99.9%的后反射率，输出侧面有30%的反射率。芯片与热敏电阻一起键合在AlN基板上，可以控制增益区的正向电流和吸收区的反向电压，同时监测芯片温度。封装好的器件包括PM光纤耦合和自由空间光隔离器，以防止外部反射。
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实验结果与性能特性
; y( j" c; H# ~, N0 y3 t功率输出和光谱特性：当吸收区电压（Uabs）为0 V时，激光器的阈值电流为10 mA，在218 mA时达到最大功率输出46 mW。将吸收区电压增加到4 V时，阈值电流增加到22 mA，在226 mA时耦合到PM光纤的最大功率为42.2 mW。

使用分辨率为5 pm的光谱分析仪（OSA）测量的光谱在I = 210 mA、Uabs = 4.0 V和T = 25°C的操作条件下显示了24条梳状线，功率在0到3 dBm（1到2 mW）之间。这代表了2.3 THz的总带宽，明显宽于之前报道的100 GHz间隔的量子点梳状激光器。
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梳状线的数量可以通过调整吸收区电压来控制。随着吸收区电压从0 V增加到4.5 V，梳状线的数量从11增加到24，最大梯度出现在约3.5 V处。梳状线数量的增加伴随着每线平均功率的降低，从0 V时的4.2 mW降至4 V时的1.7 mW。
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噪声特性和数据传输性能：相对强度噪声（RIN）是数据传输应用的关键参数，特别是对于具有前向纠错（FEC）的高速PAM4编码。对于100 Gb/s PAM4编码，通常需要-135 dB/Hz的RIN来将链路功率损失限制在0.5 dB以内。
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2 `: D, e8 q, u. U$ P! G$ x, R$ [图2. (a)展示了在150 mA、1 V条件下测量的1299.5 nm单条线的RIN谱示例，显示了噪声的频率依赖性；(b)说明了在0 V和4 V吸收区电压下测量的梳状线波长位置与正向电流的关系，颜色显示了每条线的RIN值；(c)展示了在170 mA和0 V（灰色）及4 V（红色）吸收区电压下测量的所有梳状线的RIN和BER，虚线显示了KP4-FEC限制。
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图2(a)展示了在1299.5 nm、150 mA、1 V和25°C条件下测量的单个过滤梳状线的RIN的频率依赖性。在这种特定情况下，0-10 GHz范围内的平均RIN为-135 dB/Hz，主要噪声贡献观察到的频率低于200 MHz。
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随着增益区正向电流的增加，梳状谱的中心波长位置增加。在Uabs = 0 V时，所有梳状线的测量RIN在大多数测试电流下低于-130 dB/Hz。在Uabs = 4 V时，所有梳状线的RIN在170到230 mA之间的所有测试电流下低于-125 dB/Hz，在210 mA时低于-130 dB/Hz。在210 mA时每通道的平均RIN为-133 dB/Hz（0-10 GHz）。
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对于数据传输测试，梳状线被过滤并用106 Gb/s PAM4调制。使用改进为外部光纤耦合激光器输入的商用硅基光电子收发器芯片组测试了链路误码率（BER）。可以观察到RIN和BER之间的明显相关性，RIN
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线宽测量
3 s& X& D% B/ L, t! q# ?激光器的光学线宽是另一个影响相干光通信系统性能的重要参数。

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2 ?1 C: D2 g! I/ J6 B6 ^/ y图3. (a)过滤、自由运行梳状通道的两个互相延迟光束的拍频线，测量于Uabs = 0V（灰线）和3 V（红线），虚线显示拟合的Voigt和高斯函数；(b)在Uabs = 0V时，从Voigt拟合中提取的所有梳状通道的总线宽（FWHM）。

使用具有8 km SMF-28光纤延迟的自外差技术测量了单个梳状通道的光学线宽。对于0 V的吸收区偏置，线宽轮廓可以用Voigt函数拟合，高斯部分宽度为2.5 MHz，洛伦兹部分宽度为0.8 MHz，总线宽约为3.3 MHz。在3 V吸收区偏置下，观察到频率超过10 MHz的一些失真，峰值的高斯拟合得到约2.5 MHz的光学线宽。

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2 D. l! ?% I. r% p2 |结论
, _# q* A6 ]8 W4 u本文介绍的量子点梳状激光器代表了光互连技术的重要进步。这种InAs/GaAs O波段激光器具有平顶2.3 THz带宽和创纪录的24个可用波长通道（间隔为100 GHz），支持使用KP4-FEC的106 Gb/s/通道PAM4信号传输，总传输速率高达2.4 Tb/s DWDM。

通过吸收区电压控制梳状线数量的能力为系统设计提供了灵活性，而低RIN和窄线宽确保了高质量的数据传输。这些特性使量子点梳状激光器成为数据中心和高性能计算环境中下一代光互连的关键技术。

1 |" m9 d8 U1 d' Y& A8 m5 p参考文献
; K/ P# f7 o8 D* _! f[1] J. Rautert, M. S. Buyalo, V. Mikhrin, A. Zhabotinskii, A. Gubenko, J. Simons, P. Gaur, A. Kovsh, and A. V. Krishnamoorthy, "Ultra-Wideband, Flat-Top, 100 GHz Spacing Quantum-Dot Comb Laser for CW-WDM Data Transmission in O-Band," in OFC 2025, Th4D.3, 2025.
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7 T5 l6 H- u8 _" ?. V2 t关于我们：
' v+ I2 T( P) y' H4 j3 Q1 c( u; ?; e深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。

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