DFB激光器已經(jīng)成為波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)的重要光源

　　自上世紀(jì)60-70年代發(fā)展起來(lái)的半導(dǎo)體激光器和光纖技術(shù)促成了通信革命，使人類迅速?gòu)墓I(yè)社會(huì)進(jìn)入信息社會(huì)。業(yè)界先后采用了0.85 μm、1.3 μm 及1.5 μm 三個(gè)波段的半導(dǎo)體激光器作為通信光源。其中0.85 μm波段激光器采用三元AlGaAs/GaAs材料體系，1.3 μm 及1.5 μm波段激光器采用四元的InGaAsP/InP 或AlGaInAs/InP 材料體系。

　　在半導(dǎo)體激光器家族中，半導(dǎo)體分布反饋(DFB)激光器因其優(yōu)異的光譜特性與調(diào)制特性，已經(jīng)成為通信系統(tǒng)中最為重要、使用最為廣泛的光源之一。DFB激光器的概念和理論最早由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的H. Kogelnik 和C. V. Shank于1971-1972年間提出，最早的半導(dǎo)體DFB激光器出現(xiàn)在1973年。經(jīng)過(guò)近50年的發(fā)展，DFB激光器已被廣泛應(yīng)用于光通信、傳感、測(cè)繪等領(lǐng)域。

　　DFB激光器是一種具有波長(zhǎng)選擇性的器件，依靠?jī)?nèi)置光柵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)單模激射，其基本結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

　　圖 1 DFB激光器。 (a)基本結(jié)構(gòu); (b)均勻光柵結(jié)構(gòu); (c)相移光柵結(jié)構(gòu)

　　在光纖通信領(lǐng)域，憑借其的單模工作特性，DFB激光器已經(jīng)成為波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)的重要光源。隨著技術(shù)和需求的發(fā)展，近年來(lái)DFB激光器的應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越多樣化，典型應(yīng)用場(chǎng)景包括：

　　1)高速直接調(diào)制應(yīng)用：主要用于5G、數(shù)據(jù)中心和接入網(wǎng)等需要低成本光模塊海量部署的場(chǎng)景;

　　2)高功率應(yīng)用：主要用于硅基光子學(xué)、人眼安全激光雷達(dá)場(chǎng)景;

　　3)低噪聲應(yīng)用：包括窄線寬和低RIN應(yīng)用。主要用于超高速、低成本相干通信系統(tǒng)、激光雷達(dá)以及微波光子學(xué)領(lǐng)域。

　　半導(dǎo)體DFB激光器進(jìn)展

　　高速直接調(diào)制DFB激光器（DML）

　　半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點(diǎn)之一就是可以直接將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，也即具有直接調(diào)制特性。這是一種簡(jiǎn)單、最直接的光信號(hào)產(chǎn)生方式。DML的優(yōu)勢(shì)在于低成本、低功耗、體積小、可批量生產(chǎn)，這對(duì)于短距離、低成本應(yīng)用極為重要。在調(diào)制速率10 Gbps以上，且覆蓋范圍超過(guò)2 km的場(chǎng)合中，基本都采用了單縱模的DML。近年來(lái)，在5G和數(shù)據(jù)中心的迫切需求下，DML已經(jīng)成為不可替代的光源。

　　在中短距光傳輸應(yīng)用中的DML通常工作在1.3 μm波段，用以抑制光信號(hào)在光纖中傳輸?shù)纳?wèn)題。目前，利用1.3 μm波段DML已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)25 Gbaud，10 km以上光纖傳輸。

　　DML常見(jiàn)優(yōu)化措施包括阻抗、結(jié)構(gòu)和材料優(yōu)化。阻抗優(yōu)化手段相對(duì)比較簡(jiǎn)單，主要通過(guò)優(yōu)化摻雜濃度、電極結(jié)構(gòu)以及選取小介電常數(shù)的電極墊襯材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。結(jié)構(gòu)和材料層面的優(yōu)化手段主要從提高光限制因子、提高微分增益、降低有源區(qū)體積等幾方面考慮。典型手段包括量子阱優(yōu)化、材料體系優(yōu)化、光柵及分別限制層優(yōu)化、有源區(qū)體積優(yōu)化、集成無(wú)源結(jié)構(gòu)、光光諧振效應(yīng)等。

　　現(xiàn)有報(bào)道中DML最高調(diào)制帶寬已達(dá)55 GHz[1]?？傮w來(lái)看，為滿足400G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，常溫下DML的帶寬至少需要達(dá)到20 GHz以上才能滿足單信道寬溫50 Gb/s (25-Gbaud PAM-4)需求。而單信道100 Gb/s (50-Gbaud PAM-4)則至少需要30 GHz以上的帶寬。從實(shí)用化角度，DML的設(shè)計(jì)制作和生產(chǎn)依然面臨巨大的挑戰(zhàn)。

　　圖2 55-GHz DML。 (a)小信號(hào)響應(yīng)曲線;(b)112Gb/s PAM-4調(diào)制眼圖[1]

　　大功率DFB激光器

　　傳統(tǒng)上，光通信對(duì)DFB激光器的功率需求并不高，一般不超過(guò)20 mW。但隨著光通信技術(shù)從光纖發(fā)展到自由空間，空間光通信系統(tǒng)也開(kāi)始采用單橫模、單縱模的DFB激光器。由于大氣中不存在波導(dǎo)效應(yīng)，對(duì)光束沒(méi)有限制能力，同時(shí)受氣象條件帶來(lái)的各種損耗和畸變影響，發(fā)射端需要提高發(fā)射光功率來(lái)滿足探測(cè)功率需求。通常，百mW乃至瓦級(jí)光功率輸出才能為這類應(yīng)用提供足夠的功率預(yù)算。

　　大功率DFB激光器面臨的主要問(wèn)題是大電流注入下的發(fā)光效率和模式穩(wěn)定性問(wèn)題。具體包括大注入條件下有源區(qū)對(duì)載流子的限制問(wèn)題、內(nèi)部損耗控制問(wèn)題、縱向空間燒孔抑制問(wèn)題、側(cè)模控制問(wèn)題等。從設(shè)計(jì)角度，主要考慮在保持較高的斜率效率的情況下，提高最大工作電流，同時(shí)維持單模工作狀態(tài)。主要優(yōu)化手段包括量子阱優(yōu)化、腔長(zhǎng)優(yōu)化、分別限制層及蓋層優(yōu)化、模式控制等。

　　結(jié)合多種優(yōu)化手段，目前國(guó)際上通信波段大功率DFB的功率水平已經(jīng)可以達(dá)到600 mW以上室溫連續(xù)輸出[2]。

　　圖3 600-mW 大功率DFB激光器。 (a) 功率-電流曲線; (b) 光譜[2]

　　低噪聲DFB激光器

　　噪聲是影響激光器性能的重要因素，會(huì)引起激光線寬展寬、幅度抖動(dòng)等問(wèn)題。自發(fā)輻射、載流子濃度變化、外部光反饋、溫度變化等都會(huì)引起半導(dǎo)體激光器噪聲特性的變化。低噪聲DFB激光器主要包括了窄線寬激光器和低相對(duì)強(qiáng)度噪聲(RIN)激光器兩大類。

　　窄線寬激光器被廣泛用于相干光通信領(lǐng)域，可以為高階調(diào)制格式提供相位穩(wěn)定的光載波。隨著調(diào)制格式的階次提升，系統(tǒng)需要激光線寬低于百kHz甚至幾十kHz量級(jí)。在激光雷達(dá)技術(shù)中，線寬往往也需要達(dá)到百kHz以下。低RIN激光器主要用于信號(hào)模擬，從早期的有線電視到新興的微波光子學(xué)均對(duì)光載波的RIN值有很高要求，一般需要優(yōu)于?150 dB/Hz水平。 而通信中常規(guī)使用的量子阱DFB激光器，其性能指標(biāo)一般難以直接滿足以上諸多應(yīng)用對(duì)線寬和RIN的需求。

　　窄線寬激光器和低RIN激光器中噪聲的物理來(lái)源基本一致?？蓮慕档途€寬增強(qiáng)因子、降低等效鏡面損耗和內(nèi)部損耗、提高出光功率等幾個(gè)角度進(jìn)行優(yōu)化。從器件設(shè)計(jì)角度出發(fā)，典型優(yōu)化手段主要包括有源區(qū)材料優(yōu)化、腔長(zhǎng)優(yōu)化以及光柵優(yōu)化。

　　目前DFB激光器最窄線寬已低至3.6 kHz[3]，而低RIN DFB激光器的RIN值也達(dá)到-170 dB/Hz水平[4]。

　　圖4 低噪聲DFB激光器。 (a) 3.6 kHz窄線寬激光器[3] ;(b) -170 dB/Hz 低RIN DFB激光器[4]

　　總結(jié)與展望

　　經(jīng)過(guò)近50年的發(fā)展，半導(dǎo)體DFB激光器的理論體系已經(jīng)建立的比較完善，相關(guān)材料生長(zhǎng)和制備方法也被學(xué)術(shù)界和工業(yè)界廣泛掌握。在追求性能的過(guò)程中，基于量子阱結(jié)構(gòu)的DFB激光器研究已經(jīng)由學(xué)術(shù)界逐漸轉(zhuǎn)向工業(yè)界。

　　可以預(yù)計(jì)未來(lái)5-10年內(nèi)，在商用領(lǐng)域，DML的調(diào)制速率將提升至單波100 Gb/s，大功率DFB激光器的功率將提升至500 mW至1 W水平，而窄線寬和低RIN DFB商用激光器將會(huì)分別達(dá)到10 kHz及?170 dB/Hz水平。

　　在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域，研究重心一方面將轉(zhuǎn)向基于量子阱DFB激光器的規(guī)?；δ芗?另一方面將逐步轉(zhuǎn)向性能更好、功能更多樣化的量子線、量子點(diǎn)、硅基集成或與其它材料體系相集成的DFB激光器。

     參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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