"源"定乾坤——信息时代的通信光源技术

中国科学院半导体研究所 陆丹

2020年第7期《中国激光》出版“半导体激光器”专题。中国科学院半导体研究所光子集成技术研究组陆丹研究员受邀撰写《通信波段半导体分布反馈激光器》长篇综述论文,并作为封面论文发表。论文以不同领域的应用需求为线索,对通信波段DFB激光器的设计与进展进行了综述,内容涵盖高速直调DFB激光器、大功率DFB激光器、窄线宽DFB激光器与低相对强度噪声(RIN)DFB激光器等几种重要光源芯片。

内封面文章|陆丹,杨秋露,王皓,贺一鸣,齐合飞,王欢,赵玲娟,王圩. 通信波段半导体分布反馈激光器[J]. 中国激光, 2020, 47(7): 0701001

背景

自上世纪60-70年代发展起来的半导体激光器和光纤技术促成了通信革命,使人类迅速从工业社会进入信息社会。历史上,业界先后采用了0.85 μm、1.3 μm 及1.5 μm 三个波段的半导体激光器作为通信光源。其中0.85 μm波段激光器采用三元AlGaAs/GaAs材料体系,1.3 μm 及1.5 μm波段激光器采用四元的InGaAsP/InP 或AlGaInAs/InP 材料体系。

在半导体激光器家族中,半导体分布反馈(DFB)激光器因其优异的光谱特性与调制特性,已经成为通信系统中最为重要、使用最为广泛的光源之一。DFB激光器的概念和理论最早由美国贝尔实验室的H. Kogelnik 和C. V. Shank于1971-1972年间提出,最早的半导体DFB激光器出现在1973年。经过近50年的发展,DFB激光器已被广泛应用于光通信、传感、测绘等领域。

DFB激光器是一种具有波长选择性的器件,依靠内置光栅结构实现单模激射,其基本结构如图 1所示。

图 1 DFB激光器。 (a)基本结构; (b)均匀光栅结构; (c)相移光栅结构

在光纤通信领域,凭借其卓越的单模工作特性,DFB激光器已经成为波分复用(WDM)系统的重要光源。随着技术和需求的发展,近年来DFB激光器的应用领域也越来越多样化,典型应用场景包括:

1)高速直接调制应用:主要用于5G、数据中心和接入网等需要低成本光模块海量部署的场景;

2)高功率应用:主要用于硅基光子学、人眼安全激光雷达场景;

3)低噪声应用:包括窄线宽和低RIN应用。主要用于超高速、低成本相干通信系统、激光雷达以及微波光子学领域。

半导体DFB激光器进展

高速直接调制DFB激光器(DML)

半导体激光器的优点之一就是可以直接将电信号转换为光信号,也即具有直接调制特性。这是一种最简单、最直接的光信号产生方式。DML的优势在于低成本、低功耗、体积小、可批量生产,这对于短距离、低成本应用极为重要。在调制速率10 Gbps以上,且覆盖范围超过2 km的场合中,基本都采用了单纵模的DML。近年来,在5G和数据中心的迫切需求下,DML已经成为不可替代的光源。

在中短距光传输应用中的DML通常工作在1.3 μm波段,用以抑制光信号在光纤中传输的色散问题。目前,利用1.3 μm波段DML已经可以实现25 Gbaud,10 km以上光纤传输。

DML常见优化措施包括阻抗、结构和材料优化。阻抗优化手段相对比较简单,主要通过优化掺杂浓度、电极结构以及选取小介电常数的电极垫衬材料来实现。结构和材料层面的优化手段主要从提高光限制因子、提高微分增益、降低有源区体积等几方面考虑。典型手段包括量子阱优化、材料体系优化、光栅及分别限制层优化、有源区体积优化、集成无源结构、光光谐振效应等。

现有报道中DML最高调制带宽已达55 GHz[1]。总体来看,为满足400G以太网标准,常温下DML的带宽至少需要达到20 GHz以上才能满足单信道宽温50 Gb/s (25-Gbaud PAM-4)需求。而单信道100 Gb/s (50-Gbaud PAM-4)则至少需要30 GHz以上的带宽。从实用化角度,DML的设计制作和生产依然面临巨大的挑战。

图2 55-GHz DML。 (a)小信号响应曲线;(b)112Gb/s PAM-4调制眼图[1]

大功率DFB激光器

传统上,光通信对DFB激光器的功率需求并不高,一般不超过20 mW。但随着光通信技术从光纤发展到自由空间,空间光通信系统也开始采用单横模、单纵模的DFB激光器。由于大气中不存在波导效应,对光束没有限制能力,同时受气象条件带来的各种损耗和畸变影响,发射端需要提高发射光功率来满足最低探测功率需求。通常,百mW乃至瓦级光功率输出才能为这类应用提供足够的功率预算。

大功率DFB激光器面临的主要问题是大电流注入下的发光效率和模式稳定性问题。具体包括大注入条件下有源区对载流子的限制问题、内部损耗控制问题、纵向空间烧孔抑制问题、侧模控制问题等。从设计角度,主要考虑在保持较高的斜率效率的情况下,提高最大工作电流,同时维持单模工作状态。主要优化手段包括量子阱优化、腔长优化、分别限制层及盖层优化、模式控制等。

结合多种优化手段,目前国际上通信波段大功率DFB的功率水平已经可以达到600 mW以上室温连续输出[2]。

图3 600-mW 大功率DFB激光器。 (a) 功率-电流曲线; (b) 光谱[2]

低噪声DFB激光器

噪声是影响激光器性能的重要因素,会引起激光线宽展宽、幅度抖动等问题。自发辐射、载流子浓度变化、外部光反馈、温度变化等都会引起半导体激光器噪声特性的变化。低噪声DFB激光器主要包括了窄线宽激光器和低相对强度噪声(RIN)激光器两大类。

窄线宽激光器被广泛用于相干光通信领域,可以为高阶调制格式提供相位稳定的光载波。随着调制格式的阶次提升,系统需要激光线宽低于百kHz甚至几十kHz量级。在激光雷达技术中,线宽往往也需要达到百kHz以下。低RIN激光器主要用于信号模拟,从早期的有线电视到新兴的微波光子学均对光载波的RIN值有很高要求,一般需要优于?150 dB/Hz水平。 而通信中常规使用的量子阱DFB激光器,其性能指标一般难以直接满足以上诸多应用对线宽和RIN的需求。

窄线宽激光器和低RIN激光器中噪声的物理来源基本一致。可从降低线宽增强因子、降低等效镜面损耗和内部损耗、提高出光功率等几个角度进行优化。从器件设计角度出发,典型优化手段主要包括有源区材料优化、腔长优化以及光栅优化。

目前DFB激光器最窄线宽已低至3.6 kHz[3],而低RIN DFB激光器的RIN值也达到-170 dB/Hz水平[4]。

图4 低噪声DFB激光器。 (a) 3.6 kHz窄线宽激光器[3] ;(b) -170 dB/Hz 低RIN DFB激光器[4]

总结与展望

经过近50年的发展,半导体DFB激光器的理论体系已经建立的比较完善,相关材料生长和制备方法也被学术界和工业界广泛掌握。在追求极致性能的过程中,基于量子阱结构的DFB激光器研究已经由学术界逐渐转向工业界。

可以预计未来5-10年内,在商用领域,DML的调制速率将提升至单波100 Gb/s,大功率DFB激光器的功率将提升至500 mW至1 W水平,而窄线宽和低RIN DFB商用激光器将会分别达到10 kHz及?170 dB/Hz水平。

在学术研究领域,研究重心一方面将转向基于量子阱DFB激光器的规模化功能集成;另一方面将逐步转向性能更好、功能更多样化的量子线、量子点、硅基集成或与其它材料体系相集成的DFB激光器。
 

参考文献:

[1] Y. Matsui et al., “55 GHz Bandwidth Distributed Reflector Laser,” J. Light. Technol., vol. 35, no. 3, pp. 397–403, 2017.

[2] P. Doussiere, C. Shieh, S. DeMars, and K. Dzurko, “Very high power 1310nm InP single mode distributed feed back laser diode with reduced linewidth,” in Proceedings of SPIE, 2007, vol. 6485, p. 64850G.

[3] M. Okai, M. Suzuki, and T. Taniwatari, “Strained multiquantum-well corrugation-pitch-modulated distributed feedback laser with ultranarrow (3.6 kHz) spectral linewidth,” Electron. Lett., vol. 29, no. 19, p. 1696, 1993.

[4] Y. G. Zhao et al., “High-power and low-noise DFB semiconductor lasers for RF photonic links,” 2012 IEEE Avion. Fiber- Opt. Photonics Technol. Conf. AVFOP 2012, vol. 3, no. c, pp. 66–67, 2012.

 

课题组介绍

中国科学院半导体研究所光子集成技术研究组主要从事III/V族半导体光子集成技术与器件研发,前身为王圩院士领导的DFB激光器组。研究组率先在国内研制出室温连续运转的1.55 μm波段DFB激光器。并相继研制出高速直调激光器、电吸收调制激光器、分布布拉格反射镜激光器等多种激光器件。近年来,研究组聚焦于光子集成研究,研制出10×10 Gbps光发射芯片、可调谐激光器阵列、多波长锁模激光器、少模集成光发射芯片等一系列集成器件。

研究组在1996、1997和2006年获中科院科技进步一等奖、国家科技进步二等奖和中国材料研究学会科学技术一等奖,获国内外发明专利六十多项。研究组与知名厂商长期保持密切合作,并向国内外企业和研究机构输送了大批人才。
 

本专题相关论文推荐:

1、孙长征,杨舒涵,熊兵,王健,罗毅|高速电吸收调制激光器研究进展

2、蒋春,陈泉安,王宽宽,陆巧银,国伟华|多通道干涉大范围可调谐激光器的研究

3、刘慧,龚旗煌,陈建军|胶质量子点激光器及片上集成