抑制啁啾的无隔离器大于67GHz DFB+R激光器
发布时间：2020-03-31 22:17:59 热度：3479
3/31/2020，光纤在线讯，OFC 2020 PDP文章第一篇“抑制啁啾的无隔离器大于67GHz DFB+R激光器”，第一作者Yasuhiro Matsui来自II-VI（Finisar）公司，其他四位作者分别来自II-VI公司，瑞典KTH皇家技术学院和诺基亚贝尔实验室。让我们看看他们是如何创造半导体激光器直接调制带宽的这一记录的。
文章指出，提升直接调制激光器(DML)调制带宽的一种技术是所谓光空腔（optical cavity）。2016年他们曾经报道过短腔分布反射50微米增益长度的DR激光器实现了55GHz带宽。其背后的原理包括所谓的失谐负载（detuned-loading）效应，光子-光子共振PPR效应，腔内FM-AM转换效应。2019年9月，NTT采用距离MQW区只有0.1微米的SiC衬底上键合的膜结构实现了50微米增益长度的DR激光器。这层膜结构可以实现很强的垂直光限制效应，松弛振荡频率Fr可以提升到40GHz。来自30%反射率的集成无源波导的光反馈可以产生95GHz的PPR效应，可以将调制带宽增加到107GHz。在此基础上实现了239.3Gbps的传输速率。也在2019年9月，本文作者所在的团队报道了可以实现50GHz重复率的增益开关脉冲的DFB+无源波导结构，实现的关键是波导后段的3%的反射。这种结构被称为DFB+R。在Matsui的这篇新文章里，他们基于同样的DFB+R结构实现了3dB带宽75GHz，重点是第一实现了0.6的超低啁啾，第二，无隔离器结构（DR/DBR/DFB+R三种DML方案）。而DFB+R方案的优点在于，1，基于可靠的InP衬底；2 非常类似于DFB工艺；3 简单的单接触器件；4 同DFB一样高产出；5 低成本小尺寸（200微米）；6 高输出功率（大于20毫瓦）；7 宽带宽（75GHz）；8 低偏压（75GHz下65mA）；9 无隔离器；10 比EML更低啁啾；采用这样的结构，基于双副载波熵loading机制，实现了背靠背的411.6Gbps传输，和10公里SSMF光纤下314.9Gbps传输。
如图所示，DFB结构长度80微米，集成无源波导长度120微米，在无源波导尾端，通过镀膜实现了3%的反射镜面。如此结构在DFB的光栅和3%端面之间形成新的腔内标准具滤波器（左）。右图则显示了该标准具滤波器的反射率分布。激光模式正是产生在这抖动的陡坡上。
这个结构实现高调制频率和低啁啾的关键在于所谓的失谐负载效应，也就是上面的抖动的陡坡。编辑在网上找了一些资料，但是还是很难理解。先放在这里留作个参考。““失谐负载(Detuned Loading)”，如那些参考文献；使用与频率相关的损耗机制(例如色散损耗)以及激光的α因子(线宽增强因子)，以在增加激光器的调制带宽的同时减少啁啾和噪声。光栅的长波斜率具有正确的机制，以与α因子一起产生作用，以降低噪声，使激光稳定。在光栅的短波长侧情况相反。频率相关的损耗(较高斜率)的增加值对降低噪声具有很强的影响，使得可以设计出同时具有非常高的斜率和非常窄的带宽的长光栅。在根据一个实施例的混合集成激光器的设计中，同时达到所有的设计要求；通过非常仔细地设计光栅和激光腔，得到长腔长、失谐负载和出色的模式选择性。通过设计激光器以扩展单模工作范围工作，通过控制激光腔的相位，可以将激射模设置在光栅的长波长斜率上；单模范围越大，波长距激光器的长波长侧越远，就越是能够提供更低的线宽输出。”
同样，有效的对反射的容忍程度取决于所谓的“结构阿尔法参数”。这个参数也和包括标准具滤波器陡坡在内的参数有关。在本文的设计中，可以实现15dB的反射容忍度提升，从而避免了使用隔离器。基于失谐负载实现无隔离器工作，也是本文的关键结论。
高调制速率，无隔离器应用，是当前半导体激光器发展的重点。本文成功展示了一种兼具这两大优点的新型激光器结构。
文章指出，提升直接调制激光器(DML)调制带宽的一种技术是所谓光空腔（optical cavity）。2016年他们曾经报道过短腔分布反射50微米增益长度的DR激光器实现了55GHz带宽。其背后的原理包括所谓的失谐负载（detuned-loading）效应，光子-光子共振PPR效应，腔内FM-AM转换效应。2019年9月，NTT采用距离MQW区只有0.1微米的SiC衬底上键合的膜结构实现了50微米增益长度的DR激光器。这层膜结构可以实现很强的垂直光限制效应，松弛振荡频率Fr可以提升到40GHz。来自30%反射率的集成无源波导的光反馈可以产生95GHz的PPR效应，可以将调制带宽增加到107GHz。在此基础上实现了239.3Gbps的传输速率。也在2019年9月，本文作者所在的团队报道了可以实现50GHz重复率的增益开关脉冲的DFB+无源波导结构，实现的关键是波导后段的3%的反射。这种结构被称为DFB+R。在Matsui的这篇新文章里，他们基于同样的DFB+R结构实现了3dB带宽75GHz，重点是第一实现了0.6的超低啁啾，第二，无隔离器结构（DR/DBR/DFB+R三种DML方案）。而DFB+R方案的优点在于，1，基于可靠的InP衬底；2 非常类似于DFB工艺；3 简单的单接触器件；4 同DFB一样高产出；5 低成本小尺寸（200微米）；6 高输出功率（大于20毫瓦）；7 宽带宽（75GHz）；8 低偏压（75GHz下65mA）；9 无隔离器；10 比EML更低啁啾；采用这样的结构，基于双副载波熵loading机制，实现了背靠背的411.6Gbps传输，和10公里SSMF光纤下314.9Gbps传输。
如图所示，DFB结构长度80微米，集成无源波导长度120微米，在无源波导尾端，通过镀膜实现了3%的反射镜面。如此结构在DFB的光栅和3%端面之间形成新的腔内标准具滤波器（左）。右图则显示了该标准具滤波器的反射率分布。激光模式正是产生在这抖动的陡坡上。
这个结构实现高调制频率和低啁啾的关键在于所谓的失谐负载效应，也就是上面的抖动的陡坡。编辑在网上找了一些资料，但是还是很难理解。先放在这里留作个参考。““失谐负载(Detuned Loading)”，如那些参考文献；使用与频率相关的损耗机制(例如色散损耗)以及激光的α因子(线宽增强因子)，以在增加激光器的调制带宽的同时减少啁啾和噪声。光栅的长波斜率具有正确的机制，以与α因子一起产生作用，以降低噪声，使激光稳定。在光栅的短波长侧情况相反。频率相关的损耗(较高斜率)的增加值对降低噪声具有很强的影响，使得可以设计出同时具有非常高的斜率和非常窄的带宽的长光栅。在根据一个实施例的混合集成激光器的设计中，同时达到所有的设计要求；通过非常仔细地设计光栅和激光腔，得到长腔长、失谐负载和出色的模式选择性。通过设计激光器以扩展单模工作范围工作，通过控制激光腔的相位，可以将激射模设置在光栅的长波长斜率上；单模范围越大，波长距激光器的长波长侧越远，就越是能够提供更低的线宽输出。”
同样，有效的对反射的容忍程度取决于所谓的“结构阿尔法参数”。这个参数也和包括标准具滤波器陡坡在内的参数有关。在本文的设计中，可以实现15dB的反射容忍度提升，从而避免了使用隔离器。基于失谐负载实现无隔离器工作，也是本文的关键结论。
高调制速率，无隔离器应用，是当前半导体激光器发展的重点。本文成功展示了一种兼具这两大优点的新型激光器结构。
