有光，有无处不在的联接，有更美好的未来世界

内部资料免费交流 准印证号：（粤BL）022060040 CommunicationsofHUAWEIRESEARCH2023年3月 第1期（总第4期） S+C+L波段超高容量光传输第81页 全光交叉网络的滤波性能挑战与关键技术第87页 光纤传感技术的发展与应用第114页 肖新华 华为公司Fellow 编者按 随着超低损耗光纤的规模应用，光纤通信经历了20多年的快速发展，是当前人类能够提供大容量长距离信息传输的最佳手段，已成为信息高速公路的关键基石，极大地推动了数字经济的蓬勃发展。随着超大规模数据中心、行业数字化以及新型显示的驱动，需要研究以绿色、大容量、低功耗和智能为特征的新一代光通信技术体系，同时以F5G及未来的F6G为牵引，和业界共同繁荣光通信产业的未来，逐步走向“光联万物”的崭新时代。 本期《华为研究》重点针对长途光传输、短距光互联和光接入领域，呈现了光算法、光放大、光电器件、光系统和光交叉等核心技术的最新研究进展，也对光网络自动化运维和光纤传感做了综述和展望，很好地汇集了光技术研究者们的智慧结晶。 持续提升单纤容量是长途光传输追求的目标，提高单波速率和扩展光纤频谱是关键技术路径。《基于铌酸锂薄膜平台高速调制器技术研究》介绍了高带宽、低驱压、低损耗薄膜铌酸锂调制器的关键技术和研究进展，展现其支持光传输速率向单波1T+持续演进的巨大潜力。《S+C+L波段超高容量光传输》一文介绍了扩展光纤S波段频谱在信道理论建模、宽谱光放大及光层动态性能优化等方面的关键挑战和技术突破，阐述了S+C+L系统可支持单纤100T光传输的实现。 全光交叉是光通信实现大规模组网和调度的基础，需要满足对超大交叉容量、高集成度、更高维度、智能运维管理等要求。《全光交叉网络的滤波性能挑战与关键技术》一文分析了全光交叉网络滤波效应的来源及带来的系统性能损伤，提出了实现全光交叉高带宽、低频偏滤波性能的技术创新方向，以支持全光交叉网络朝着更高维度、更高速率的方向发展。 光电器件的高密度集成是实现短距光互联的关键途径。《低电压硅光微环调制器的设计与稳定》阐述了高性能硅光微环调制器的研究进展，以及如何满足未来高密度和低功耗的光互连需求；《量子点激光器的优势、进展及应用》阐述了量子点激光器的性能优劣势和应用前景，并介绍了在直调激光器、高功率O波段激光器以及硅基单片集成激光器等方面的最新研究进展。《基于锑化物的高灵敏度50GAPD》一文通过引入新材料体系，实现高速、高灵敏度的50G波特率雪崩光电探测器。 家宽与行业应用对光接入网络的时延和可靠性提出了更高的要求，当前的时分复用机制面临着巨大挑战。《xDOA多维光接入新架构》一文从多址复用和多维调度的角度提出了新的接入架构，以匹配未来高品质网络的需求；光纤传感可实现多物理参量的精准感知，对于行业数字化具备重要意义，《光纤传感技术的发展与应用》特邀综述，从传感器的架构特点出发，阐述了点式、准分布式和全分布式三大类光纤传感器的概况，将对后续的光纤传感技术研究起到很好的指导作用。 此外，本期《华为研究》还收录了Zipper编码技术、光网络性能评估与自动化等多个研究方向的佳作，希望这些文章能为您的科学探索之路提供启发，欢迎您与华为或论文作者做进一步的交流。 器件 华为研究01 内部资料，免费交流 准印证号：（粤BL）022060040 主编： 廖恒 本期责任主编： 肖新华 编委会： 廖恒，童文，肖新华，胡邦红，周慧慧，鲍丰，JeffXu，陈海波，陆品燕，张小俊，李瑞华，白博 索阅、投稿、建议和意见反馈，请联系： HWResearch@huawei.com 印刷数量：4000本 印刷单位：雅昌文化（集团）有限公司印刷地址：深圳市南山区深云路19号印刷日期：2023年3月16日 量子点激光器的优势、进展及应用 赵向杰，李翔，楼观林，孙令，戚海华，张石勇 18低电压硅光微环调制器的设计与稳定 DominicJ.Goodwill，PatrickDumais，JiaJiang，MohammadM.Rad，DritanCelo，JaredC.Mikkelsen，ZehuaLi，EricBernier 34基于铌酸锂薄膜平台高速调制器技术研究 桂成程，宋小鹿，张培杰，桂韬，袁帅，郑克爽，王宣皓，曾成，夏金松 42基于锑（Sb）化物的高灵敏度50GAPD 曹均凯，向伟，王恺，魏巍，张石勇，滕䶮 47碲基光纤放大器的技术探索 赵志鹏，贾志旭，秦伟平，秦冠仕，操时宜，吴圣灵，李淑杰，刘业辉，常志武，张德江，肖新华 系统 52 版权所有©2023 华为技术有限公司，保留一切权利。 Zipper码在光纤通信中的应用 黄沁辉，杨小玲，马会肖，黄科超 61基于级联极化-拉链码的编码调制方案 AliFarsiabi，HamidEbrahimzad，YoonesHashemi，BashirrezaKarimi，王瑾，李传东，张筑虹 67光网络传输质量评估的机器学习方法 YvanPointurier 81 S+C+L波段超高容量光传输 郭强，甘霖，冯博，操时宜，肖新华 87 96 104 全光交叉网络的滤波性能挑战与关键技术 邓宁，韩荦，徐镜荃，卢特安，熊迪，张博文，贾伟 xDOA多维光接入新架构 张阔，叶志成，李博睿，李良川 ACTN架构使能全光网络自动化和基于意图的应用 HenryYu，ChristopherJanz 传感 114 光纤传感技术的发展与应用 李豪，范存政，肖祥鹏，杨留洋，李良晔，闫宝强，陈俊峰，吕悦娟，刘浩光，代雨泽，闫志君，孙琪真 器件 量子点激光器的优势、进展及应用 赵向杰，李翔，楼观林，孙令，戚海华，张石勇海思高锟实验室 摘要 本文探讨了量子点作为激光二极管增益材料的利弊。通过发挥量子点的优势，我们在以下三项量子点激光器应用方面取得了进展：直调激光器（DirectlyModulatedLaser，DML）、高功率O波段激光器以及硅基单片集成激光器。 关键词 InAs量子点，激光器，分布反馈，高功率，硅光子，集成光电子 1引言 1977年，研究人员证明了电泵量子阱激光器的阈值远低于体材料激光器。此后不久，研究人员开始考虑通过在更多维度引入量子限制以进一步提升激光器性能，包括量子线 （二维限制）和量子点（三维限制）。1982年，Arakawa和Sakaki从理论上预测：得益于量子点离散态密度函数的 有限载流子热扩散特性，采用这种三维限制有源介质的激 𝜌(𝐸)𝜌(𝐸)𝜌(𝐸) 1 �𝐸2 �𝐸0 �−𝐸��−𝐸� �𝛿(𝐸) >2𝑘𝐵�@80℃ �−𝐸� 光器可能具有与温度无关的阈值电流，如图1所示[1]。大于2kBT的能隙会显著降低基态（GroundState，GS）电子逃逸到更高电子态的可能性，而在体材料或量子阱中，电子却可以在产生激光的基态与不产生激光的更高量子态间更自由地分布。在20世纪80年代，研究人员开展了大量理论研究以探索量子点的优势[2–4]。例如，Asada分析了量子点激光器的增益特性并指出：在低偏置电流下，量子点的增益远高于量子阱材料和体材料的增益。这一研究发现为研发超低阈值量子点激光器带来广阔的前景[2]。此外，Arawaka曾预测：量子点激光器的线宽增强因子 （LinewidthEnhancementFactor，LEF）比量子阱激光器的LEF小，而较小的LEF可能有助于降低相位噪声和激光线宽[5]。然而，在那个年代不可能实现具有高晶体质量的纳米级量子点（Vahala所预测的直径小于30nm的量子点[3]）。虽然研究人员可通过在强磁场中限制常规激光器电子的方式部分验证量子点的优势[1,6]，但直到20 世纪90年代，研究人员才找到直接通过外延合成量子点的方法。 研究人员曾一度认为，按照著名的斯特兰斯基-克拉斯坦诺夫（Stranski-Krastanov，SK）生长模式，晶格失配异质外延会形成一个失配位错岛。然而，1990年Eageham在硅（100）上生长Ge时发现，在早期生长阶段可以形成多个无位错岛[7]，这种现象被称为“共格SK生长”。在InGaAs/GaAs材料体系上同样观察到了共格SK生长[8]，基于该现象，1993年在GaAs上实现了无位错InGaAs量子点[9]，1999年在GaAs上实现了InAs量子点[10]，从而获得了O波段发光波长。这些量子点被称为自组装量子点，意味着可以在生长表面自发形成量子点，无需任何图案定义工艺。如今，研究人员可以利用具备原子层精度的分子束外延（MolecularBeamEpitaxy，MBE）设备生长出尺寸均匀且晶体质量高的量子点，如图2所示，图中展示了海思所生长的GaAs矩阵中InAs量子点的平面视图透射电子显微镜（TransmissionElectronMicroscopy，TEM）图像。这些量子点在生长平面的直径和生长方向上的高度通常分别在15nm和5nm左右，并且可以通过生长条件进行调节，以获得特定应用所需的波长和态密度分布[11]。 自1994年以来，陆续涌现出多种以量子点作为有源 (a)(b)(c) 图1不同维度结构的电子能级态密度：(a)体（3D）； (b) (a) (b)量子阱（2D）；(c)量子点（0D）。实线表示态密度，虚线表示电子的态占有率，阴影区域表示相应的电子密度。 (c) 图2(a)自组装量子点的平面视图TEM图像； (b)标注了量子点的横向尺寸； (c)量子点的横截面TEM图像，标注了垂直尺寸 材料的激光器[12]。先前所预测的量子点激光器的种种优势均得到了验证，例如高温稳定性[13]、低阈值电流[14]和小LEF[15]。但不同于在工业领域有着广泛应用的量子阱激光器，大多数量子点激光器仍处于实验室研究阶段，鲜有商用案例[16,17]。造成这一现象的原因有两个：一方面，量子阱激光器具有先发优势；另一方面，量子点相对复杂的生长过程及一些原生劣势也同样限制了其自身应用。然而，随着数据中心内部的带宽需求急剧增长，高密度且可靠的光学器件与成熟硅电子行业二者集成的需求，正在推动着量子点成为未来集成硅光子领域极具前景的激光光源和增益解决方案。在第2节中，我们将首先探讨量子点的优势和劣势，然后再回顾过去几十年来全球各研究小组所取得的研究成果。第3~5节将分别介绍自研量子点在反射不敏感直调激光器（DirectlyModulatedLaser，DML）、高功率O波段激光器和高性能硅基单片外延激光器领域的研究进展。本文仅列了我们认为未来几年内工业领域可能出现的部分应用。实际上量子点的应用范围十分广泛，相关研究也在加速发展，如果感兴趣，可参考以下几篇论文[18–23]。 .0 非均匀展宽 .5 .0 .5 均匀展宽 .0 .5 .0 1100115012001250 130013501400 GSES 2量子点作为增益材料的利与弊3 2 PL密度（a.u.） 2.1量子点的优势2 量子点为传统III-V族光电材料体系带来的第一个改变是，其扩展了可实现的峰值增益波长和增益谱宽度。由于三维成岛的生长机制，相比逐层生长的量子阱，量子点外延可承受更大的应变，同时不会形成任何缺陷[8]。这使得生长更大晶格常数的材料，从而得到更长的发光波长成为可能。由此带来的最直接的收益是，通过使用InAs（6.7%压应变）作为量子点材料，可以在6英寸GaAs衬底上制造O波段激光器和放大器，而传统的O波段激光器则是在3英寸InP衬底上制造的。考虑到O波段激光器在短距强度调制直接检测（Intensity-ModulationDirect-Detection，IMDD）场景的巨大需求[24,25]，改用尺寸较大的衬底可以给激光二极管芯片制造商带来成本优势。 此外，量子点和量子阱的线型展宽性质在以下两方面存在显著区别：第一，自组装生长方法并不能保证所有量子点具有相同尺寸。因此，不同量子点的基态发光波长略有不同。每个量子点都有各自的均匀展宽。将多个