高速直接调制半导体激光器研究进展

0 引言

在过去的几十年里,随着智能手持终端设备、超 高清视频电视、大数据存储、云计算和虚拟现实等新 业 务 和 新 设 备 的 出 现,光 接 入 网 的 研 究 已 从100Mbit/s容量阶段演进到数百Gbit/s的容量阶段,第五代移动通信技术(5thGenerationMobileCommunicationTechnology,5G)前传和数 据 中 心 等光纤传输系统在信息通信能力和链路距离方面取 得了巨大的进步,半导体激光器是光纤通信系统 的重要核心组成部分,为支持高速传输,其在带宽、功耗和无制冷等方面得到了迅猛的发展。光通信 用高速半导体激光器主要有两种:外调制半导体激光器(ExternalModulationLaser,EML)和直接调制半导体激光器(DirectModulationLaser,DML), 这两种激光器的应用场景区别主要在传输距离上, EML主 要 用 于 传 输 距 离 >10km 的 应 用 场 景, DML有好的单模性且低成本,但其也伴随着啁啾, 被广泛应用于短程通信(传输距离≤10km)。本文主要对应用在5G前传和数据中心(100m≤通信 距离≤10km)等短程传输光纤通信系统中的半导体激光器进行综述,即高速 DML。

本文主要 介 绍 两 个 方 面 的 研 究:第 一 是 DML中分布式反馈半导体(DistributedFeedbackLaser,DFB)激 光 器 的 相 关 研 究,面 对 5G 前 传 等 应 用 需 求,无制冷宽温高速 DFB激光器成为研究的重点, 本文将对 DFB激光器已有的理论及成果进行回顾; 第 二 是 超 高 速DML激光器随 着 对 信 息 接 入 量 需 求 的 提升,超高速 DML(≥50GHz)逐渐成为研究重点。

1 高速 DML理论

想要实现用于光传输的 DML,其发光材料需满 足两个条件:(1)具有直接的能带结构,以有效地产生激光;允 许 将 带 隙 能 量 调 整 到 所 需 的 发 射 波 长。对于5G前传和数据中心等需要的波长范围(O 波段),选择的材料是 III-V 半导体磷化铟(InP)和 相关 的 四 元 化 合 物 InGaAsP 和 InGaAlAs,因 为 InP的优点是直接带隙材料,通过替换一部分(III) 和/或(V)元 素,通 常 在 一 定 范 围 内 可 调 节 任 何 与InP晶格匹配的三元和四元组成,从而调 整 激 射 波 长。利用成熟的外延技术可将这种复合物作为晶 体层沉积到InP衬底晶片上,晶格匹配可保证较高 的生长质量。

DML也需要波导结构来对腔内光场施加横向 和纵向 的 约 束,目 前 最 常 用 的 波 导 结 构 是 脊 波 导 (RidgeWaveguide,RWG)结 构 和 掩 埋 异 质 (Bur-ied-heterostructure,BH)波导结构。这两种结 构的简要 示 意 图 如 图 1所 示。对 RWG 结 构 而 言,纵向上是通过有源层(Activelayer)的高折射率 和包层的低折射率形成折射率波导结构,从而将光 场在纵向上限制在有源层内;横向上,通过刻蚀上包 层到刻蚀停止层,形成一个宽度大约为2μm,深度 大约为2μm的脊,由于空气的折射率低,在横向上 等效折射率的低-高-低可以将光场限制在图1(a)

虚 线 圆 圈 内。对 BH 波 导 结 构 而 言,纵 向 上 与 RWG结构类似,横向上,BH 波导结构通过在有源 区周围沉积反向 PN结(PNjunction)来减小有源区 体积,有源区的折射率比InP的折射率更大,因此横 向上形成低-高-低的折射率结构,将光场限制在 图1(b)所示虚线圆圈内。两种结构的区别主要体 现在有源区的体积和工艺上,BH 波 导 结 构 的 有 源 区体积更小,可能达到的带宽较高,但同时 BH波导 结构需要较为复杂的工艺,需要刻蚀加二次外延生 长,还会对有源区进行刻蚀,可能带来可靠性等一系 列问题。相 对 的,RWG 结 构 只 需 要 简 单 的 刻 蚀,无需二次外延,工艺简单且稳定,但其带宽可能 会受限。

商用 DML需要具有良好的单模性。DFB激光器因其通过刻蚀周期光栅而具有良好的单模性,这 一点与常规的法布里-珀罗(Fabry– PérotInter-ferometer,FP)激光器不同。目前常用的是均匀光 栅和λ/4相移光栅(λ为波长,此光栅在激光腔内相

图1 RWG结构和 BH波导结构的示意图

移区可 实 现 两 倍 相 移),均 匀 光 栅 若 腔 两 端 对 称, DFB激光器会双纵 模 出 射,一 般 采 用 一 端 高 反,一 端增透的方式提高单模抑制比;更有效的方法是采 用λ/4相移光栅,在总光栅中间引入一段相移区,可 大幅提高单模抑制比。

DML的高速性能是最重要的性能指标之一,其 小信号调制响应表达式为

式中:R(f)为 DML在某个调制频率f 下的归一化 响应,即为此时的平均输出光功率与不加小信号时 的平均输出光功率的比值;fr 为激光器本身的弛豫 振荡频率;Γ 为阻尼系数;Rld 和Cld 分别为激光器寄 生电阻和电容。令R(f)=1/2,可得到 DFB激光器 的3dB带宽f3dB,其可用来衡量 DML的高速调制 能力。显然f3dB 与fr、Γ、RldCld 均有关系,每个参数 限制的3dB带宽为[6]

式中:f3frdB、f3RCdB 和f3ΓdB 分别为弛豫振荡频率限制 带宽、电学寄生常数限制带宽及阻尼限制带宽。由 式(2)可知,提高fr 可显著提高 DML的带宽,在超 高速 DML中,小的电学寄生常数也是优化的重要 手段,目前宽温超高速 DML的优化目标主要还是达到较高的fr,可表示为

式中:vg 为激光介质中光的群速度;   为激光介质的微分增益,其中,g 为激光介质增益,N 为激光介 质中载流子密度;ε为增益饱和系数;S 为腔内光子 密度;ηi 为内量子效率;ξ为光学限制因子;e为电子 电荷量;V 为 有 源 区 体 积;I 为 激 光 器 的 注 入 电 流;Ith 为阈值电流。提高fr 有两种重要方法,一是提高微分增益,从而提高光学限制因子;二是减小模体积,降低激光 器的阈值。BH波导结构的有源区体积小,因此 BH 波导结构类型的 DML带宽较高。本文将在第2和 第3节 分 别 介 绍 无 制 冷 宽 温 高 速 (10~50GHz)DFB激光器及超高速 DML(≥50GHz)的相关代表 性研究工作。

2 无制冷宽温高速 DFB激光器的研究

业界无制冷宽温高速 DFB激光器的代表成果 如表1所示。如第1节所述,提高 DFB激光器带宽 最直接的方法是提高微分增益或减小有源区体积,相关学者基于此进行了大量的研究。在20世纪90 年代,基 于 InGaAsP的 多 量 子 阱 (Multiple-Quan-tum-Well,MQW)有 源 层 结 构 已 被 广 泛 采 用,该 结 构可提供较大的微分增益,且InGaAsP可以与InP 晶格匹配,通过对 MQW 有源层结构进行掺杂和应 变等方面的优化,常温下 DFB激光器的带宽甚至可 达30GHz,然而在宽温温度范围内,特别是高温 时,DFB激光器中非辐射复合的增加和载流子的扩 散会使得带 宽 显 著下降,21世 纪 之 前,DFB激光 器 在 -40~85 ℃ 下 只 能 支 持10Gbit/s的 传 输。为了进一步提高 DFB激光器的带宽,特别 是高温下的带宽,含 Al的InGaAlAs材料逐步替代InGaAsP材料,因为含铝的有源材料对电子的束缚 更强,因此在高温下会有更高的微分增益。得 益于 90年 代 使 用 金 属 有 机 化 学 气 相 沉 积 (Metal-organicChemicalVaporDeposition,MOCVD)在 高 质 量 InGaAlAs 晶 体 生 长 条 件 方 面 的 技 术 突 破,DFB激光器 能 够 在 超 过85℃的 工 作 条 件 下进行10Gbit/s传输[19],进一步地,DFB激光器支持 10Gbit/s传输的最高工作温度可以扩展到115℃ (@12.5Gbit/s)和 120℃(@10Gbit/s)。随 后,为进一步提高 DFB激光器的带宽以应对5G前 传和数据中心的应用场景,研究者开始研究合适的 结 构 来 减 小 模 体 积,最 直 接 的 方 法 是 减 小 腔 长。

2009年,在200和160μm 腔长的 RWG型 DFB激光器中,分别获得了85和95℃下清晰的25Gbit/s 眼图,采 用 更 短 的 100μm 腔 长 时,RWG 型DFB 激 光 器 速 率 在 65 ℃ 下 可 以 达 到 40Gbit/s。BH 波导结构也可 以 显 著 地 减 小 有源区体积,且因为反向 PN结良好的电隔离性质,可 得到较低的激光寄生常数:早在2008年,就出现了75℃下调制速率达40Gbit/s的 DFB激光器,此激 光器腔长为150μm,采用了 BH 波导结构来减小模 体积。为了 将 调 制 带 宽 拓 展 到 40Gbit/s,采 用100μm腔长的 BH 波导型 DFB激光器可在85℃ 下得到清晰的40Gbit/s眼图,还有使用120μm腔长的 BH波导型 DFB激光器报道,可演示工作温 度高达80℃的 50Gbit/s非 归 零 编 码 (NoReturn Zero,NRZ)信号调制。

总体而言,BH 波导型 DFB激光器的高速性能 比 RWG型 DFB激光器的好,其具有更高的调制带 宽,阈值电流更低,然 而,BH 波 导 结 构 需 要 对 靠 近 光场区域的有源层刻蚀,然后二次外延生长,不仅工 艺复杂,刻蚀过程中引入的缺陷和含铝材料的氧化 会降低器件 的 可 靠 性,也 有 报 道 可 以 通 过 清 洗 截面来降低缺陷对器件可靠 性 的 影 响,然 而,此 方法成本高且 BH波导结构的可靠性仍未得到根本 性解决。对 RWG结构 DFB激光器而言,其制作过 程只需要简 单 的 刻 蚀,成 本 低,可 靠 性 高,但 RWG 结构的激光器在高温下带宽劣化严重,高温下带宽 会降低6~10GHz。

由于高温下的带宽劣化,常规 RWG结构可能 无法满足5G前传等应用场景的需求,基于此问题,本文提出了一种新型沟中沟脊波导结构,其示意 图如图2所示,只需在脊波导的基础上,在脊波导两 侧对称地进行简单的刻蚀,刻穿有源层,由于刻蚀截 面距离光场区域较远,不会影响器件的可靠性。此 结构可显著提高 DFB激光器在常温及高温下的带 宽。另 外,有 报 道 称,将 苯 并 环 丁 烯 (Benzocy-clobutene,BCB)盖 在DFB激 光 器 上 也 可 显 著 提高带宽,我们下一步的工作是在沟中沟脊波导激 光器上盖 BCB,预计将会进一步提高激光器带宽。

图2 新型沟中沟脊波导激光器结构示意图

3 超高速 DML研究

超高速 DML的主要相关研究如表2所示。如 第1节所述,DFB激光器的带宽受到本身弛豫振荡 频率的限制,在第2节回顾宽温高速 DFB激光器发 展历程时,许多学者在提高弛豫振荡频率方面已做 了 大 量 工 作,但 激 光 器 本 身 的 带 宽 会 被 限 制 在50GHz左右,如何进一步提高激光器的带宽以面对 更高传输速率的需求成为了研究的重点,目前主要 是提高激光器在常温下的带宽。新原理的引入为激 光器带宽的提高提供了可能,最主流的包括失谐加 载效 应 和 光 子 -光 子 谐 振 (Photon-photonReso-nance,PPR)效 应。能 利 用 失 谐 加 载 效 应 的 DML 需要在激光器的一侧有分布反馈反射镜(Distribu-tedFeedbackReflector,DBR),DBR是在无源波导 上刻蚀光栅形成的,与 DFB激光器类似,DBR具有 包络型的反射谱,能将激光器静态时的激射波长设 置在 DBR反射峰值波长的长波长处,由于激光器中 啁啾的存在,加载高频信号时,激射波长蓝移,使得 反射率提高,腔内损耗减小,半导体激光器在高频下 的微分增益提高,因此弛豫振荡频率提高,激光器带 宽得到显著提高。目前已报导的可以利用失谐 加载效应提高带宽 的 DML包 括 DBR激 光 器 和 分 布反 馈 (DistributedFeedback,DR):DBR 激 光 器 是由一个 FP腔 和 一 个 DBR构 成,FP腔 是 有 源 部 分,提 供 增 益,DBR 部 分 负 责 选 模。DR 激 光 器 由 DFB激光器和 DBR集成在一起形成,DFB激光器 部分是有源的,DBR部分是无源的。PPR效应是通 过对半导体激光器引入适当反馈,可在腔内产生边 模,频率与主模相近,当调制信号的调制频率等于两 个模式频率 差 时,可 共 振 放 大 边 模,加 快 消 耗 载 流 子,光子密度增大,响应提高,即在高频引入一个响 应峰,形 成 “双 峰 相 应”,扩 大 调 制 带 宽。PPR 效应可以 使 DML的 带 宽 突 破 弛 豫 振 荡 频 率 的 限 制,是大幅提高 DML带宽的重要手段,目前能利用 PPR效应的 DML是带有外腔反馈的激光器,即在 FP或 DFB激光器外集成一个外腔,用来提供延时 光反馈。

2007年,有学者在 DFB激光器后集成 了 一 段 无源波导,即在 DFB后集成一个无源反馈外腔,提 出 了 无 源 反 馈 激 光 器 (PassiveFeedbackLaser,PFL)的概念,首次明确展示具有 PPR谐振峰的响 应曲 线 并 成 功 将 40mA 下 的 调 制 带 宽 提 高 到 了29GHz。此后,PFL的带宽不断提高,通过优化 设计可 使 得 带 宽 分 别 达 到 37GHz@70mA[45]和34GHz@60mA。除了 PFL之外,早在2003年, 就有在 DFB激光器后分别集成一段有源波导提供强反馈和无源波导调整反馈相位,提出有源反馈激 光器(AmplifiedFeedbackLaser,AFL)的 概 念,但 最初 并 没 有 用 于 调 制 带 宽 的 提 高,由 于 AFL 可以分别调整外腔反馈光的强度和相位,理论上会 更容易观察到双峰响应,然而由于集成了两个外腔,工艺较为复杂,直到2015年,才有报导 AFL成功观 察到 双 峰 响 应;

2016 年,AFL 的 带 宽 拓 展 到 59GHz,此 AFL包含 375μm 长的 DFB激光器和 220μm长的有源反馈波导。除 PFL和 AFL之 外,前 文 所 述 的 含 有 DBR 的 DML也 可 以 观 察 到 PPR效应带来的双峰响应,因为 DBR也可以 认 为 是一 个 外 腔,会 引 入 光 反 馈,因 此,DBR 和DR激光器可 同 时 利 用 失 谐 加 载 效 应 和 PPR效 应 提高带宽:早在1997年,就有相关研究,200μm 长的 FP腔加300μm长的 DBR可将调制带宽拓宽到 31GHz@130mA;2005年,在 DBR激光器外集成相位调制区,可将带宽拓展到37GHz@172mA。 为进一步 拓 展 带 宽,有 学 者 发 现 将 DFB激 光 器 与 DBR集成在一起的 DR激光器带宽更高,通过分别 调节注入 DFB和 DBR部分的电流,可同时将失谐 加载效应和 PPR效应提高带宽效果最大化,可将带 宽拓展到超过50GHz:

在2017年,DR激光器的带 宽可以达到55GHz@36.2mA;随后优化了 DR 激光器的工艺,采用同一有源层的方法,在大大减小 工艺难度的情况下使激光器的带宽达到24GHz@ 60mA。PFL和 AFL等外腔反馈激光器都是在DFB激光器的高反端集成反馈外腔,DFB激光器的 出射端还是增透,只能利用 PPR效应提高带宽,提 升有限。然而,DFB+R方案的提出又使得激光器 的带宽突破了60GHz,即在 DFB激光器出射端集 成一无源波导,DFB激 光 器 另 一 端 高 反,集 成 的 无 源波导末端具有一定反射率(3%~8%),此结构可 将失谐加载效应最大化,因为 DFB+R激光器具有 更陡的反射包络,会提供更大的微分增益差,得到尽 可能大的弛豫振荡频率,利用此方法,激光器的带宽 可分别达到65[57]和75GHz@65mA。

2021年, 提出 DFB+R结 构 的 同 一 课 题 组 同 时 提 出 了 双 耦合系数 DBR激光器和双电极接触 DR激光器,两种 结构的原理都是提高了反馈调整自由度,可以使激 光器的反射包络更陡,利用失谐加载效应和 PPR效 应,两种结构的 DML带宽均可达到65GHz。同 年,利 用 薄 膜 大 幅 减 小 寄 生 常 数,结 合 超 短 腔、BH 波导结构、失谐加载效应和 PPR效应,已有报道半 导 体 激 光 器 的 带 宽 可 超 过 100 GHz 达 到108GHz@27mA。 尽管在目前已有的报道中,半导体激光器的带宽可以非常高,但是利用 PPR效应和失谐加载效应 需要的条件极其苛刻,温度的轻微变化可能使得半导体激光器带宽骤降,目前无法商用。

4 结束语

本文针对 DML的发展状况,分别介绍了宽温高速DFB激光器和超高速DML的研究,其中宽温高速DFB激光器面向5G前传等应用需求,发展较 为成熟,目前正向着低成本、高可靠性发展。而面对 越来越大的信息需求,超高速DML逐 渐 成 为 研 究 重点,虽然采用新的理论和方法,目前半导体激光器 的 带 宽 甚 至 可 以 超 过 100GHz达 到108GHz@27mA,但由于工作条件较为苛刻,尚未达到商用标 准,下一步的目标将是提高 超 高 速 DML的 温 度 稳 定性等。从目前的发展需求来看,我们认为稳定的 超高速 DML将会有广阔的研究前景和应用前景。

【作者】田 琦, 韩 宇, 张瑞罡, 张敏明

【来源期刊】光通信研究

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