【資訊】DFB激光器已經(jīng)成為波分復用(WDM)系統(tǒng)的重要光源

2025-06-03 18:20:02

　　自上世紀60-70年代發(fā)展起來的半導體激光器和光纖技術促成了通信革命，使人類迅速從工業(yè)社會進入信息社會。歷史上，業(yè)界先后采用了0.85 μm、1.3 μm 及1.5 μm 三個波段的半導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。

　　在半導體激光器家族中，半導體分布反饋(DFB)激光器因其優(yōu)異的光譜特性與調制特性，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貝爾實驗室的H. Kogelnik 和C. V. Shank于1971-1972年間提出，最早的半導體DFB激光器出現(xiàn)在1973年。經(jīng)過近50年的發(fā)展，DFB激光器已被廣泛應用于光通信、傳感、測繪等領域。

　　DFB激光器是一種具有波長選擇性的器件，依靠內置光柵結構實現(xiàn)單模激射，其基本結構如圖 1所示。

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

　　在光纖通信領域，憑借其卓越的單模工作特性，DFB激光器已經(jīng)成為波分復用(WDM)系統(tǒng)的重要光源。隨著技術和需求的發(fā)展，近年來DFB激光器的應用領域也越來越多樣化，典型應用場景包括：

　　1)高速直接調制應用：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景;

　　2)高功率應用：主要用于硅基光子學、人眼安全激光雷達場景;

　　3)低噪聲應用：包括窄線寬和低RIN應用。主要用于超高速、低成本相干通信系統(tǒng)、激光雷達以及微波光子學領域。

　　半導體DFB激光器進展

　　高速直接調制DFB激光器（DML）

　　半導體激光器的優(yōu)點之一就是可以直接將電信號轉換為光信號，也即具有直接調制特性。這是一種最簡單、最直接的光信號產(chǎn)生方式。DML的優(yōu)勢在于低成本、低功耗、體積小、可批量生產(chǎn)，這對于短距離、低成本應用極為重要。在調制速率10 Gbps以上，且覆蓋范圍超過2 km的場合中，基本都采用了單縱模的DML。近年來，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。

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

　　DML常見優(yōu)化措施包括阻抗、結構和材料優(yōu)化。阻抗優(yōu)化手段相對比較簡單，主要通過優(yōu)化摻雜濃度、電極結構以及選取小介電常數(shù)的電極墊襯材料來實現(xiàn)。結構和材料層面的優(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、集成無源結構、光光諧振效應等。

　　現(xiàn)有報道中DML最高調制帶寬已達55 GHz[1]?？傮w來看，為滿足400G以太網(wǎng)標準，常溫下DML的帶寬至少需要達到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。從實用化角度，DML的設計制作和生產(chǎn)依然面臨巨大的挑戰(zhàn)。

　　圖2 55-GHz DML。 (a)小信號響應曲線;(b)112Gb/s PAM-4調制眼圖[1]

　　大功率DFB激光器

　　傳統(tǒng)上，光通信對DFB激光器的功率需求并不高，一般不超過20 mW。但隨著光通信技術從光纖發(fā)展到自由空間，空間光通信系統(tǒng)也開始采用單橫模、單縱模的DFB激光器。由于大氣中不存在波導效應，對光束沒有限制能力，同時受氣象條件帶來的各種損耗和畸變影響，發(fā)射端需要提高發(fā)射光功率來滿足最低探測功率需求。通常，百mW乃至瓦級光功率輸出才能為這類應用提供足夠的功率預算。

　　大功率DFB激光器面臨的主要問題是大電流注入下的發(fā)光效率和模式穩(wěn)定性問題。具體包括大注入條件下有源區(qū)對載流子的限制問題、內部損耗控制問題、縱向空間燒孔抑制問題、側模控制問題等。從設計角度，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、腔長優(yōu)化、分別限制層及蓋層優(yōu)化、模式控制等。

　　結合多種優(yōu)化手段，目前國際上通信波段大功率DFB的功率水平已經(jīng)可以達到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，會引起激光線寬展寬、幅度抖動等問題。自發(fā)輻射、載流子濃度變化、外部光反饋、溫度變化等都會引起半導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強度噪聲(RIN)激光器兩大類。

　　窄線寬激光器被廣泛用于相干光通信領域，可以為高階調制格式提供相位穩(wěn)定的光載波。隨著調制格式的階次提升，系統(tǒng)需要激光線寬低于百kHz甚至幾十kHz量級。在激光雷達技術中，線寬往往也需要達到百kHz以下。低RIN激光器主要用于信號模擬，從早期的有線電視到新興的微波光子學均對光載波的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，其性能指標一般難以直接滿足以上諸多應用對線寬和RIN的需求。

　　窄線寬激光器和低RIN激光器中噪聲的物理來源基本一致?？蓮慕档途€寬增強因子、降低等效鏡面損耗和內部損耗、提高出光功率等幾個角度進行優(yōu)化。從器件設計角度出發(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]

　　總結與展望

　　經(jīng)過近50年的發(fā)展，半導體DFB激光器的理論體系已經(jīng)建立的比較完善，相關材料生長和制備方法也被學術界和工業(yè)界廣泛掌握。在追求極致性能的過程中，基于量子阱結構的DFB激光器研究已經(jīng)由學術界逐漸轉向工業(yè)界。

　　可以預計未來5-10年內，在商用領域，DML的調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商用激光器將會分別達到10 kHz及?170 dB/Hz水平。

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

     參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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