1 引言

随着信息技术的飞速发展,对数据通信容量和传输速度的要求不断提高,各种新型技术(如波分复用和相干检测技术)在光通信领域中得到了广泛应用。可调谐激光器因具有灵活切换输出波长的优势,成为下一代光网络的关键技术之一。在密集波分复用系统中,每个通道都需要一个固定波长的激光器,同时对每个波长需要准备一个备用光源^[1]。可调谐激光器可以代替多个固定波长的激光器,同时完成所有波长的备份,大大减少了系统的运营和维护成本。在下一代可重构的光分插复用器中,可调谐激光器可作为光源提供波长配置、波长切换和波长路由,从而实现在任意结点对任意波长进行动态上传和下载^[2]。

国内外学者研发了多种调谐激光器的方案,基本结构都是由法布里-珀罗(FP)腔激光器、模式选择滤波器和相位控制器组成^[3]。但实现模式选择和相位控制的方式各有不同,主要的调谐机制有电调谐、热调谐和机械调谐三种。目前,调谐激光器主要有外腔激光器(ECL)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)、混合集成的可调谐激光器、分布式反馈(DFB)激光器阵列和分布式布拉格反射(DBR)激光器。常见的ECL利用腔外衍射光栅作为波长选择元件,通过微机电系统(MEMS)进行机械调谐,改变腔外衍射光栅的角度,从而选择不同衍射角度的波长激射^[4-5]。ECL可以将腔长做到很长,是最容易实现窄线宽的可调谐激光器,目前线宽最窄的是NeoPhotonics公司生产的基于游标卡尺效应的ECL,线宽小于10 kHz^[6]。可调谐的VCSEL是外腔激光器的一种扩展形式,利用MEMS改变腔长,从而实现波长的调谐^[7]。由于VCSEL的腔长短,具有纵模间隔大,不易跳模的优点,但线宽大,输出功率较小,且不易与其他器件集成,因此主要应用在性能要求不高的系统中。混合集成的可调谐激光器目前也受到了广泛的关注和研究^[8-9],使用Ⅲ-Ⅴ族材料提供增益,用硅基材料作为无源波导,避免了Ⅲ-Ⅴ族材料在无源部分的高损耗,可以获得很窄的线宽。Tran等^[10]报道了线宽小于3 kHz的Si/InP混合集成微环可调谐激光器,但器件成本较高。

DFB激光器阵列和DBR激光器都是单片集成的方案,DFB激光器阵列是在传统DFB激光器的基础上发展起来的。对于InGaAsP/InP材料体系,温度调谐系数(波长随温度的变化速率)约为0.1 nm/℃,单个DFB激光器可以调谐的波长范围有限^[11]。DFB激光器阵列将多个增益材料相同的DFB激光器并联集成在一起,通过调节光栅的周期改变每个激光器的中心波长,从而实现较宽的调谐范围^[12-13]。普通的DBR激光器由有源区、相位区和光栅区组成^[14],粗调通过在光栅区注入电流改变材料的折射率,从而改变光栅的布拉格波长,细调通过在相位区注入电流改变纵模的位置实现。但注入电流只能使折射率改变1%~2%,对应大约10 nm的波长调谐范围^[15],不足以覆盖整个C波段(1530~1565 nm)。因此,人们提出了多种改进的方案,包括超结构光栅分布式布拉格反射(SSGDBR)可调谐激光器^[16-17]、取样光栅分布式布拉格反射(SGDBR)激光器^[18-19]、调制光栅Y分支分布式布拉格反射(MGY-DBR)激光器^[20-22]、啁啾取样光栅分布反馈(CSG-DR)型可调谐激光器^[23-24]和数字超模分布式布拉格反射(DS-DBR)可调谐半导体激光器^[25-26]等。DFB激光器阵列和DBR激光器都是基于光栅进行选模,对光栅的制作工艺精度要求较高,如电子束曝光,且光栅的掩埋对于二次外延的要求较高。为了避免使用掩埋光栅,使制作更简单,人们提出了基于双微环谐振器的可调谐半导体激光器^[27]、基于表面槽光栅的可调谐半导体激光器^[28]和V耦合腔激光器^[29]等,但这些激光器的性能都不高。

本文提出了一种新型的InP基单片集成多通道干涉(MCI)大范围可调谐激光器^[30],该激光器通过多个臂(不同长度)的增强干涉进行选模。由于不需要制作光栅,降低了制作难度,且每个臂都可以独立进行相位调节,加大了器件制作的容差。通过实验验证了该方案的可行性^[31],并完成了激光器与半导体光放大器(SOA)的集成^[32]。为了满足相干光通信的要求,在电光调谐MCI激光器的基础上,采用热光调谐以及更小线宽增强因子的InGaAlAs量子阱材料使激光器的线宽降低到200 kHz左右。最后分别从器件的理论设计、器件制作和器件的测试与表征对MCI激光器进行了介绍。

2 多通道干涉激光器的理论设计

MCI激光器的结构如图1所示,激光器由增益区、公共相位区和MCI区组成。其中,MCI区包含1×8的分束器、八个不同长度的臂和多模干涉反射器(MIR)。1×8分束器可以由1×2多模干涉器(MMI)级联而成,也可以直接使用1×8 MMI。增益区出来的光经过1×8分束器分束后进入八个臂,每个臂的末端都有一个单端口的MIR,将光全反射回增益区,同时每个臂上有一个独立的臂相位区,用于调整对应臂的相位。

MCI激光器利用八个不同长度的臂干涉得到一个单个反射峰占主导的反射谱,进而实现选模,在增益区右边由多个通道提供的总反射可表示为

r~(λ)=18r1exp[-2jβ~(Lp+Lm+L1)]·1+∑i=17exp(-2jβ~∑k=1iΔLk),(1)

式中,λ为波长,r₁为单个MIR的反射系数, β~为波导模式的复传播常数,L_p为公共相位区的长度,L_m为1×8分束器区域的长度,L₁为第一个臂(参考臂)的长度,L_p、L_m、L₁共同作为腔长的一部分,ΔL_k(k=1,2,3,…,7)为相邻臂的长度差,i为求和的不同项,反射谱的形状由相邻臂的长度差ΔL_k决定。当相邻臂的长度差ΔL_k相等时,反射谱为梳状。ΔL_k越大,梳状反射谱的反射峰就越窄,自由频谱范围(FSR)也会越小。相反,ΔL_k越小,反射峰越宽,FSR越大。当相邻臂的长度差ΔL_k不相等时,反射谱的周期性被破坏,会出现很多杂乱的小反射峰。要用一个单个反射峰占主导的反射谱实现单模激射,就需要抑制其他杂乱反射峰,同时为了有效抑制临近纵模,该主反射峰的半峰全宽不能太大。当平均臂长差较大时,主反射峰的半峰全宽较窄,对临近纵模的抑制效果增强,但对其他杂乱反射峰的抑制效果会变差。反之平均臂长差较小时,可以增强对其他杂乱反射峰的抑制效果,但不利于抑制临近纵模。因此,在优化臂长差时需要兼顾主反射峰的半峰全宽以及对其他反射峰的抑制效果。

图 1. MCI激光器的结构示意图

Fig. 1. Schematic view of the MCI laser

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通道数(臂的个数)越多,反射谱的主反射峰相对于其他杂乱反射峰变强,同时主反射峰的半峰全宽变窄。由于每个通道都需要注入电流来改变相位,通道数越多,调谐时需要控制的电流数量也就越多,仿真发现八个通道可以满足激光器的性能需求。在优化臂长差的过程中,需要抑制增益峰值处的反射峰。采用粒子群优化(PSO)算法优化臂长差,以主反射峰与一定波长范围内第二强反射峰的反射率比值作为优化指标,尽量使该比值大于2。同时将主反射峰的半峰全宽控制在纵模间距的两倍,以使激光器在指定的波长范围内获得较好的边摸抑制比(SMSR)。为了更好地抑制增益峰值处的反射峰,将反射谱与往返增益谱相乘,以增强增益峰值处的反射峰。优化算法使加权后的反射谱在指定的波长范围内趋于相等,去掉加权后增益峰值处的反射峰得到了更好的抑制。实验选取八个臂的长度分别为270.000,436.695,447.587,454.217,485.946,659.271,758.483,781.925 μm,八个臂的等效长度(功率的透入深度)均为536.270 μm^[3],激光器整体的有效腔长为1558.9 μm,纵模间隔为0.2086 nm。模拟得到中心波长分别为1530,1540,1550,1560 nm处的MCI区反射谱,如图2所示,其中,主反射峰的半峰全宽为0.4881 nm。

图 2. 不同中心波长的MCI区反射谱。(a) 1530 nm;(b) 1540 nm;(c) 1550 nm;(d) 1560 nm

Fig. 2. Reflection spectra of the MCI sections with different center wavelengths. (a) 1530 nm; (b) 1540 nm; (c) 1550 nm; (d) 1560 nm

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模式的选择由八个不同臂长的臂干涉增强完成,通过调节对应臂的相位区改变其相位,可以使反射谱的主反射峰左右移动。波长的调谐可通过两种方式实现,一种是调节任意七个臂的相位使反射谱的主反射峰在特定的波长附近,再通过公共相位区调节纵模的位置。另一种是直接调节八个臂的相位,此时反射谱和纵模同时在移动。通过速率方程模拟得到MCI激光器的激射特性^[30],如图3所示。可以发现,MCI激光器的调谐范围超过40 nm、SMSR高于40 dB。

图 3. 速率方程模拟结果。(a)不同激射波长叠加的激射谱;(b)不同激射波长对应的SMSR

Fig. 3. Simulation results of rate equation. (a) Superimposed lasing spectra at different wavelengths; (b) SMSRs corresponding to different lasing wavelengths

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3 器件的制作

制作的MCI激光器和SOA集成器件的显微镜照片如图4所示,器件尺寸为2.3 mm×0.5 mm,其中包括了电极。SOA的长度为500 μm,为了减少端面反射,将SOA弯曲7°,并在端面镀抗反(AR)膜。MCI激光器和SOA通过一个双端口MIR集成在一起,双端口MIR理论上可以实现50%的光反射作为激光器的光反馈,50%的光进入SOA放大。双端口MIR可以和波导一起制作完成,不会额外增加制作步骤。双端口MIR的宽度和长度分别为9 μm和56.8 m,1×2 MMI的宽度和长度分别为6 μm和38.5 μm,单端口MIR的宽度和长度分别为6 μm和38.2 μm,增益区的长度为400 μm,相位区的长度为150 μm,弯曲波导的半径为100 μm。增益区和SOA是有源区,其他都是无源区域。有源区包含7个压应变的InGaAsP量子阱,无源区的芯层为InGaAsP,禁带宽度为1.3 μm。实验用偏置量子阱技术进行有源区和无源区的集成^[33],具体结构如图5所示,其中,括号内为掺杂的材料,MQW为多量子阱。

图 4. 集成SOA的MCI激光器的显微镜图片

Fig. 4. Microscope picture of MCI laser with integrated SOA

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图 5. 有源无源集成的偏置量子阱结构

Fig. 5. Offset-quantum-well structure of the active-passive integration

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器件制作的第一步是定义有源区和无源区,最开始整个基片都有量子阱结构,需要通过湿法选择性腐蚀,去除无源区的量子阱。然后利用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)技术外延生长p-InP上盖层和InGaAs欧姆接触层,波导刻蚀采用SiO₂作为掩模。由于光刻胶制作的掩模刻蚀SiO₂时选择比(胶厚度)不够,可以采用金属铬作为制作SiO₂掩模的过渡掩模。实验所有的光刻均使用i-线步进光刻机(Nikon i9)制作完成。增益区、SOA和相移区都需要注入电流,为了减少载流子的表面复合和侧面的散射损耗,这些区域使用浅刻蚀脊波导,其他不需要注入电流的区域用深刻蚀波导。浅刻蚀脊波导的制作过程需要先用反应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀,然后用湿法腐蚀(在InGaAsP层停止)。深刻蚀波导只需用ICP干法刻蚀,干法刻蚀InP波导是基于Cl₂/CH₄/H₂的ICP程序刻蚀。为了减少浅刻蚀波导和深刻蚀波导模式不匹配带来的损耗,制作了一段长为30 μm的深浅过渡结构。波导制作完成后,利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术生长SO₂作为电隔离层,再开窗口制作P欧姆接触电极,制作p-pad电极前需要先刻蚀掉P接触电极两侧的InGaAs,以减少电流的横向扩散。然后将N-InP衬底减薄后蒸镀背面的N电极,最后进行解理测试。制作的深刻蚀波导和深浅过渡结构的扫描电镜(SEM)照片如图6所示,扫描电镜的型号为FEI公司的Nova NanoSEM 450。

图 6. SEM照片。(a)深刻蚀波导;(b)深浅过渡结构

Fig. 6. SEM pictures. (a) Waveguide of deeply etched; (b) structure of deep-shallow transition

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4 器件的测试

4.1 集成SOA的多通道干涉调谐激光器

激光器表征的系统示意图如图7所示,其中,SM表示单模光纤。将封装好的集成SOA多通道干涉激光器放在制作好的夹具上进行测试,整个测试过程通过索雷博TECF1S半导体制冷器(TEC)将器件的温度控制在20 ℃。在器件表征过程中,为了使激光器输出指定的波长,需要同时调整公共相位区和七个或八个臂相位区的电流。扫描控制电流的传统表征方法不适合MCI激光器,因此,提出了一种基于优化算法的可调谐激光器表征方法,以寻找合适的电流^[34]。激光器输出的光经1∶9的分束器分束,10%的光进入光谱仪,用以检查优化算法找出来的结果是否符合要求;90%的光进入一个光学带通滤波器,滤波器的输出光功率由探测器探测。表征过程中将光学带通滤波器的中心波长设置为想要输出的波长,用优化算法控制改变八个臂相位区的注入电流,使通过光学带通滤波器的光功率最大。八个臂相位区产生双程2π相移的最大电流为10 mA,在表征过程中注入电流的范围为1~12 mA,为了让相位区二极管始终处于开启状态,应保证电流不低于1 mA。

图 7. 集成SOA的MCI激光器的实验表征系统

Fig. 7. Experimental characterization system for the MCI laser with integrated SOA

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以0.4 nm的波长间隔(对应的频率间隔为50 GHz)表征一个封装好的集成SOA多通道干涉激光器,表征过程中增益区和SOA的注入电流固定为100 mA。激射波长为1555 nm的光谱如图8(a)所示,可以发现,MCI激光器具有良好的单模特性。激光器的波长调谐范围大于45 nm,激射波长在1530~1570 nm时,以0.4 nm为间隔表征的101个输出波长的光谱叠加图如图8(b)所示,对应的SMSR如图8(c)所示。可以发现,大多数波长的SMSR都大于45 dB。增益峰值附近的波长SMSR较高,在50 dB以上,远离增益峰值的波长SMSR相对较低。将SOA反偏作为探测器,得到激光器不同输出波长的光功率-电流(LI)曲线,用SOA反偏探测的光电流表示光功率,结果如图8(d)所示。可以发现,激光器的阈值电流在18.0~25.5 mA之间,增益峰值附近的阈值电流较低,远离增益峰值的波长阈值电流相对较高,且增大SOA的注入电流可使出纤功率大于13 dBm。

图 8. 集成SOA的MCI激光器的测试结果。(a)波长为1555 nm处的激射谱;(b)波长为1530~1570 nm的光谱叠加图;(c)不同波长对应的SMSR;(d)不同波长对应的LI曲线

Fig. 8. Test results of MCI laser with integrated SOA. (a) Lasing spectrum at wavelength of 1555 nm; (b) superimposed spectra at wavelength of 1530--1570 nm; (c) SMSRs corresponding to different wavelengths; (d) LI curves corresponding to different wavelengths

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4.2 四通道干涉调谐激光器

随着移动互联网的发展,移动通信容量需求不断提高,第五代移动通信技术(5G)应运而生。波分复用型无源光网络(WDM-PON)是5G中的主要技术方案,目前的主要任务是降低WDM-PON的成本,因此需要寻找低成本的可调谐激光器作为光源。将MCI激光器的通道数减少到四个通道,以减小激光器的控制难度,降低控制成本。四通道干涉产生的主反射峰对其他杂乱峰的抑制效果没有八通道干涉好,但通过仿真发现,主反射峰的半峰全宽是纵模间隔的三倍时,对其他杂乱峰和临近纵模的抑制效果相当。与八通道激光器相比,四通道激光器通过减小无源波导的长度减少无源部分的损耗,阈值电流更小,输出功率更大。虽然波长调谐范围没有八通道激光器大,SMSR也稍低,但其性能满足WDM-PON的要求。

四通道干涉调谐激光器的显微镜照片如图9所示,器件尺寸为1.3 mm×0.3 mm,增益区长度为400 μm,有源区包含7个压应变的InGaAsP量子阱,相位区长度为150 μm。将制作完成的四通道干涉激光器放在铜台上,用TEC将温度控制在20 ℃。在公共相位区和臂相位区不注入电流的情况下,用索雷博FDG03大面积锗探测器得到LI曲线,发现激光器的阈值电流为15.5 mA。当有源区注入电流为100 mA时,输出功率为8.55 mW。得到以0.8 nm为间隔,波长在1536.609~1568.080 nm之间40个波长的激射谱叠加图,如图10(a)所示。四通道干涉激光器可实现的波长调谐范围为32 nm,对应波长的SMSR如图10(b)所示。可以发现,在整个调谐范围内,SMSR大于40 dB。

图 9. 四通道干涉激光器的显微镜照片

Fig. 9. Microscope picture of the four-channel interference laser

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图 10. 四通道干涉激光器的测试结果。(a)波长为1536.609~1568.080 nm的光谱叠加图;(b)不同波长对应的SMSR

Fig. 10. Test results of four-channel interference laser. (a) Superimposed spectra at wavelength of 1536.609-1568.080 nm; (b) SMSRs corresponding to different wavelengths

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4.3 基于热调谐的窄线宽多通道干涉激光器

在光通信系统中,随着通信速率的提升和高阶调制格式的采用,对调谐激光器性能的要求也越来越高,其中,窄线宽的可调谐激光器是高速相干光通信中的关键器件。电注入的MCI可调谐激光器的线宽在MHz量级,不能满足相干光通信的要求。可以从三方面减少激光器的线宽,首先通过优化激光器的臂长差提升SMSR和降低反射峰的半峰全宽,然后用InGaAlAs量子阱材料降低线宽,相比InGaAsP量子阱材料,InGaAlAs量子阱材料的线

宽增强因子更小。除此之外,InGaAlAs量子阱材料的光损耗更低,有助于降低激光器的阈值电流,增加激光器的输出光功率。最后采用热调谐代替电调谐,因为电流注入的散粒噪声以及自由载流子吸收带来的损耗会展宽激光器的线宽,采用热光效应实现激光器波长的调谐可以降低激光器的线宽。采用热调谐方案需要热集中在光波导区域以增强相位调节能力,但热容易通过低热阻的InP衬底导走,因此可以在波导和衬底中间制作一个空气层,以增加热阻。本器件采用的方案:在波导与衬底中间增加一层InGaAs的牺牲层,波导制作完成后,在波导两侧开两个槽,将槽刻蚀到下面的InGaAs牺牲层,然后用湿法腐蚀波导下面的InGaAs牺牲层,完成后掏空形成空气层。图11(a)是制作完成的基于热调谐的MCI可调谐激光器的显微镜照片,器件尺寸为1.6 mm×0.5 mm,包括电极。用1×8 MMI代替1×2 MMI级联完成光的分束,增益区的长度为400 μm,臂相位区的长度为75 μm。增益区包含5个压应变的AlGaInAs量子阱,采用偏置量子阱技术进行有源区和无源区的集成。增益区采用浅刻蚀波导结构,无源区采用深刻蚀波导结构。图11(b)是制作完成的含有空气层的深刻蚀波导SEM照片。

图 11. 热调谐MCI激光器。(a)显微镜照片;(b)空气波导截面的SEM照片

Fig. 11. MCI laser of thermally tuned. (a) Microscope picture; (b) SEM picture of the air waveguide cross section

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制作完成的器件解理成单个管芯焊在AlN热沉上,放在铜台上进行测试,温度由TEC控制在20 ℃。激光器输出的光通过两个准直透镜耦合进单模光纤中,两个透镜中间放置一个隔离度为60 dB的光隔离器,防止部分光被反射回激光器中,激光器的阈值电流为15 mA,长为75 μm的热电极实现2π的往返相移需要的功率为6.4 mW。器件表征过程中注入增益区的电流为90 mA,臂相位区的功率在0~8 mW之间。输出波长以2.5 nm的间隔对激光器进行表征,波长在1530~1575 nm内19个输出波长的叠加激射谱如图12(a)所示,对应的SMSR如图12(b)所示。可以发现,在整个调谐范围内SMSR大于48 dB,表征过程中8个臂相位区的总热调谐功耗不超过50 mW。使用自零差光相干探测的方法测量线宽^[35],对频率调制(FM)噪声谱进行分析,取频率范围为100 MHz~1 GHz对应的平均线宽,得到激光器的洛伦兹线宽,原因是该频率范围内基本是白噪声。不同波长对应的线宽如图12(d)所示,可以发现,整个调谐范围内的最大线宽为204 kHz。其中长波长的线宽大,原因是波长越长,线宽增强因子越大。

图 12. 波长为1530~1575 nm的光谱叠加图。(a)光谱叠加图;(b)不同波长对应的SMSR;(c)不同激射波长对应的总热调谐功耗;(d)不同激射波长对应的洛伦茨线宽

Fig. 12. Superimposed spectra at wavelength of 1530--1570 nm. (a) Image of superimposed spectra; (b) SMSRs corresponding to different wavelengths; (c) total thermal tuning powers consumption corresponding to different lasing wavelengths; (d) Lorenz linewidths corresponding to different lasing wavelengths

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5 结论

介绍了一种基于MCI的大范围可调谐激光器,通过多个通道的增强干涉进行选模。由于不需要制作光栅,减少了工艺的制作难度,且每个通道都可以独立进行相位调节,制作容差很大。通过实验验证了该方案的可行性,基于电光调谐的八通道干涉激光器可实现的波长调谐范围大于40 nm,在整个调谐范围内,SMSR大于40 dB。使用双端口MIR将激光器与SOA集成在一起,可实现的出纤功率大于13 dBm。在WDM-PON系统中,在保证波长调谐范围大于20 nm,SMSR大于40 dB的情况下,需要调谐激光器的成本比较低,因此可以将通道数减少到四个,进而降低控制成本。在相干光通信系统中,需要窄线宽的可调谐激光器,而电光调谐的MCI激光器线宽在MHz量级,不能达到要求。因此,使用线宽增强因子更小的InGaAlAs量子阱代替InGaAsP量子阱,同时将电光调谐改为热光调谐,减少电注入带来的散粒噪声和载流子吸收带来的损耗。基于热调谐的八通道干涉激光器的波长调谐范围大于45 nm,整个调谐范围内SMSR大于48 dB,线宽在200 kHz左右,总的热调谐功耗小于50 mW。