引言：光通信時(shí)代的光源革命

　　隨著數(shù)據(jù)流量的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng),，數(shù)字相干光通信技術(shù)正從長(zhǎng)距離干線傳輸向短距離城域網(wǎng),、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)(DCI)等場(chǎng)景滲透,。作為相干通信系統(tǒng)的“心臟”，可調(diào)諧激光器需同時(shí)滿足波長(zhǎng)覆蓋擴(kuò)展,、線寬壓縮,、尺寸功耗微型化等多重挑戰(zhàn)。古河電工集團(tuán)通過(guò)半導(dǎo)體集成技術(shù)與外腔結(jié)構(gòu)創(chuàng)新,，開(kāi)發(fā)出系列窄譜線寬集成可調(diào)諧激光器組件(ITLA),，為400G/800G及下一代超高速光網(wǎng)絡(luò)提供了核心技術(shù)支撐。

　　一,、技術(shù)需求與理論基礎(chǔ)：從性能指標(biāo)到物理本質(zhì)

　　1.1 可調(diào)諧激光器的核心性能參數(shù)

　　- 波長(zhǎng)調(diào)諧范圍：傳統(tǒng)C波段(1529-1567nm,，約40nm)已無(wú)法滿足容量需求,，擴(kuò)展C波段(1524-1573nm，50nm)和L波段(1565-1625nm,，60nm)成為主流需求,，需覆蓋WDM系統(tǒng)50GHz網(wǎng)格的100+信道。

　　- 光輸出功率：短距離系統(tǒng)(如數(shù)據(jù)中心)要求光纖輸出功率15-19dBm(31.6-79.4mW),，以補(bǔ)償無(wú)源器件損耗;長(zhǎng)距離系統(tǒng)可通過(guò)EDFA放大,，對(duì)功率要求相對(duì)寬松。

　　- 線寬：相干通信依賴(lài)光的相位信息,，線寬直接影響相位噪聲,。25Gbaud QPSK系統(tǒng)要求線寬<500kHz，而16QAM/64QAM調(diào)制下需進(jìn)一步壓縮至100-300kHz,，下一代200Gbaud以上系統(tǒng)則要求<50kHz,。

圖1光譜線寬的計(jì)算值

　　1.2 線寬控制的理論模型

　　根據(jù)Schawlow-Townes公式(Henry修正版)，線寬與鏡面損耗(αm),、有源區(qū)限制因子(Γz)等參數(shù)密切相關(guān)：

　　- 腔長(zhǎng)效應(yīng)：DFB激光器腔長(zhǎng)從450μm延長(zhǎng)至1500μm時(shí),，鏡面損耗從52cm?1降至15-20cm?1，線寬可從1MHz壓縮至300kHz以下,。

　　- 外腔結(jié)構(gòu)：集成外部波導(dǎo)或諧振腔時(shí),，Γz < 1.線寬與Γz^2成比例縮小。例如,，Γz=1/3時(shí),，線寬可降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　二,、陣列型可調(diào)諧激光器：從DFB到AWG-DR的技術(shù)迭代

　　2.1 DFB激光陣列：寬調(diào)諧范圍的基礎(chǔ)方案

　　- 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：?jiǎn)纹?2個(gè)波長(zhǎng)間隔3.5nm的DFB激光器,，通過(guò)溫度調(diào)諧(35℃溫度變化對(duì)應(yīng)3.5nm波長(zhǎng)偏移)實(shí)現(xiàn)42nm覆蓋范圍。

　　- 線寬優(yōu)化：為滿足相干通信需求,，腔長(zhǎng)從IM-DD系統(tǒng)的400-500μm(線寬~2MHz)延長(zhǎng)至1200-1500μm,，實(shí)現(xiàn)線寬<300kHz。

　　- 局限性：依賴(lài)溫度調(diào)諧導(dǎo)致功耗較高,，且多模干涉儀(MMI)復(fù)用器存在1/M的合并損耗(M為激光器數(shù)量)。

　　2.2 AWG-DR激光陣列：窄線寬與高功率的突破

圖2 AWG-DR激光器陣列的芯片圖片(a)和可調(diào)波長(zhǎng)激光模塊的結(jié)構(gòu)(b)

　　- 創(chuàng)新結(jié)構(gòu)：在DFB激光器后集成分布式布拉格反射器(DBR)形成DR(Distributed Reflector)結(jié)構(gòu),，前端單片集成陣列波導(dǎo)光柵(AWG)復(fù)用器,。

　　- DR結(jié)構(gòu)：降低鏡面損耗與閾值電流，提升線寬性能;

　　- AWG復(fù)用器：利用波長(zhǎng)選擇性耦合,，效率比MMI高3dB以上,，支持更高功率輸出。

　　- 模塊設(shè)計(jì)：SOA與激光芯片分離,，中間插入隔離器以防止自發(fā)輻射光混入激光腔,，同時(shí)獨(dú)立控制SOA溫度以實(shí)現(xiàn)低溫高功率工作。

　　- 性能指標(biāo)：光纖輸出功率>19dBm(80mW)，線寬<100kHz,，邊模抑制比(SMSR)>45dB,，已應(yīng)用于微型ITLA(micro-ITLA)。

圖3 AWG-DR激光陣列模塊的光輸出功率特性

圖4 AWG-DR激光陣列模塊的光譜線寬特性

　　三,、DBR/環(huán)激光器：緊湊型ITLA的技術(shù)革新

　　3.1 單片集成DBR/環(huán)結(jié)構(gòu)：外腔游標(biāo)效應(yīng)

圖5 單片集成DBR/環(huán)形激光芯片的示意圖

　　- 設(shè)計(jì)原理：在單增益區(qū)后方集成環(huán)形反射器,，前方集成DBR和半導(dǎo)體光放大器(SOA)，利用游標(biāo)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧：

圖6 DBR和環(huán)形反射器的反射光譜計(jì)算結(jié)果及合成光譜

　　- DBR反射峰：通過(guò)相位調(diào)制設(shè)計(jì)8個(gè)反射峰;

　　- 環(huán)形反射器：具有無(wú)限周期性反射峰,，兩者峰間隔設(shè)計(jì)為微小差異,，僅在重合波長(zhǎng)處形成高反射率，實(shí)現(xiàn)單模激射,。

　　- 外腔效應(yīng)：無(wú)源波導(dǎo)反射器位于增益區(qū)外部,，限制因子降低，理論線寬<100kHz,，實(shí)測(cè)C波段線寬<100kHz,，輸出功率17dBm(50mW)。

圖8 DBR/環(huán)激光模塊的光譜線寬

　　3.2 擴(kuò)展C波段優(yōu)化：從2×2 MMI到1×2 MMI的演進(jìn)

　　- 結(jié)構(gòu)改進(jìn)：將環(huán)形反射器的2×2多模干涉儀(MMI)改為1×2 MMI,，縮短環(huán)電路長(zhǎng)度,，使自由光譜范圍(FSR)從4.5nm增至7.2nm;擴(kuò)展DBR的FSR，反射峰數(shù)量從8個(gè)減少至7個(gè),，制造容差從±50nm提升至±100nm,。

　　- 性能驗(yàn)證：覆蓋擴(kuò)展C波段54nm(1524-1578nm)，單模激射SMSR>45dB,，輸出功率>18dBm(63mW),，滿足50GHz網(wǎng)格全信道覆蓋。

圖9 計(jì)算得到的2x2 MMI(左側(cè))和1x2 MMI(右側(cè))的損耗特性結(jié)果,，圖10 環(huán)形反射器的表面圖片,，圖11使用1x2毫米的擴(kuò)展C波段DBR/環(huán)激光器的拉曼散射光譜和光學(xué)輸出

　　四、ITLA控制電路與微型化：從標(biāo)準(zhǔn)到納米級(jí)突破

　　4.1 OIF標(biāo)準(zhǔn)與控制架構(gòu)

　　- 接口標(biāo)準(zhǔn)化：遵循OIF制定的ITLA標(biāo)準(zhǔn),，通過(guò)串行接口(如I2C/SPI)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng),、功率、溫度等參數(shù)的遠(yuǎn)程控制,，存儲(chǔ)器存儲(chǔ)電流,、溫度等配置參數(shù)。

　　- 電路集成：納米ITLA采用專(zhuān)用ASIC)集成控制功能,，包含CPU,、增益/DBR/環(huán)/相位/TEC等控制模塊，通過(guò)軟件算法優(yōu)化濾波器配置,，降低硬件復(fù)雜度,。

　　4.2 小型化與功耗演進(jìn)

　　三代ITLA對(duì)比：

　?、?ITLA：尺寸30.5×74×10.5mm3，功耗<6.6W;

　?、?micro-ITLA：尺寸20×37.5×6.4mm3,，功耗<5W，集成AWG-DR激光模塊;

　?、?nano-ITLA：尺寸17×26×5.4mm3,，功耗~3W，集成DBR/環(huán)激光模塊,，適用于QSFP-DD等緊湊型收發(fā)器,。

圖12 ITLA微型化過(guò)渡

　　五、下一代超窄線寬激光器：外腔結(jié)構(gòu)的前沿探索

　　5.1 外腔激光器設(shè)計(jì)：限制因子優(yōu)化

圖14 使用外部光柵和鏡子配置外部腔體可調(diào)激光器

　　- 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：增益區(qū)前集成DBR和SOA,，后方設(shè)置外部反射鏡與硅標(biāo)準(zhǔn)具(etalon),，外腔長(zhǎng)度擴(kuò)展至毫米級(jí)，使限制因子降至1/5以下,。

　　- 理論優(yōu)勢(shì)：自發(fā)輻射光在外部波導(dǎo)中與激光光分離,，線寬與Γz2成比例縮小，預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)<20kHz線寬,。

　　5.2 實(shí)測(cè)性能與挑戰(zhàn)

　　- 當(dāng)前進(jìn)展：覆蓋C波段(1530-1565nm),，線寬<50kHz，SMSR>50dB,，滿足下一代超高速系統(tǒng)需求,。

圖15 使用外部光柵和鏡子的外腔激光器的拉曼光譜測(cè)量結(jié)果

圖16 使用外部光柵和鏡子的外腔激光器的光譜線寬測(cè)量結(jié)果

　　- 待解決問(wèn)題：

　　① 安裝復(fù)雜度高,，需高精度光學(xué)對(duì)準(zhǔn);

　?、?長(zhǎng)腔長(zhǎng)導(dǎo)致縱模間隔縮小(~100MHz)，波長(zhǎng)控制敏感性增加,。

　　六,、總結(jié)

　　古河電工的窄線寬ITLA技術(shù)已形成完整體系：微型ITLA(AWG-DR結(jié)構(gòu))實(shí)現(xiàn)19dBm輸出與<100kHz線寬，納米ITLA(DBR/環(huán)結(jié)構(gòu))達(dá)成緊湊型與低功耗平衡,，下一代外腔激光器突破50kHz線寬瓶頸,。

　　參考文獻(xiàn)： PIC Worker 光芯

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