JDSU推出700mW高功率980nm泵浦源

  01/16/2007
张岩滨，杨国文，Lei Xu
摘要：
本文介绍了下一代高功率单模980nm光纤泵浦源。高可靠性的泵浦源采用了光纤布拉格光栅（FBG）稳定波长，最大输出功率可达700mW以上。此泵浦可以提高EDFA的性能。 满足新一代更高性能EDFA的要求。

关键词：
半导体激光器，激光，光纤，泵浦源
一． 引言：
高可靠性980nm单模泵浦源是光纤通讯传输系统中EDFA的关键性器件。最初，因为980nm泵浦与1480nm泵浦相比改善了EDFA的噪声系数而广泛的应用于EDFA的功率预放。到了本世纪，由于可配置（Agile）的EDFA中间增加了更多的功能，对高功率的泵浦需求增长。而具有高可靠性、低价格的高功率980nm泵浦源（>400mW）的推出，促使980nm泵浦的EDFA更加多样化。为了实现性能的提高、设计的简化以及成本的下降，未来的EDFA需要高达600mW的980nm泵浦功率。近几年，虽然有980nm半导体激光器和出纤功率增长的研究报道[1,2,3]，但是商业产品的输出功率远落后于这些报道。为了满足实际应用的需求，JDSU开发了新一代高功率的6570芯片系列和基于此芯片的泵浦源。
本文报道了Kink-free可高于700mW的光纤耦合输出980nm 泵浦源。基于成熟的封装平台技术和半导体激光器芯片技术，新一代泵浦源的可靠性能达到商业化应用的需求。JDSU 的泵浦源累计现场应用超过40亿小时，计算出的现场失效率<10FIT。

二． 新一代高输出功率的半导体激光器
    新一代的芯片延续了上一代芯片的成功设计，采用了MOCVD生长的InGaAs/AlGaA芯片。为了在更高的功率下获得与上一代芯片相同的可靠性，新一代芯片的长度延长到3.0mm。 （上一代芯片的长度是2.25mm。）芯片的延长使得芯片中的电流密度和结温在高功率下与上一代芯片的水平一致。
    由于具有更低的腔内损耗，在长的激光腔下，激光器仍有较高的输出效率。激光垂直发射角度为16°（FWHM）。发射角度小于上一代芯片，激光到光纤的耦合效率得到提高。由于采用了前代激光器设计方案，并根据新的腔长进行了优化，实现了高的kink-free功率。以上芯片技术结合JDSU专有的激光器端面钝化技术，新一代980nm激光器在更高的功率下，达到了上一代芯片的高可靠性。
    图1是在不同温度下，典型的激光芯片输出功率-驱动电流（L-I）曲线。输出功率测量采集通孔的数值孔径为0.55N.A。在10～70℃的范围内，驱动电流一直到达1.4A的范围下，我们没有观测到kink。在25℃时，芯片的阈值电流为23mA，斜效率为0.9W/A。
    图2是激光芯片在水平和垂直方向的发射角。在100mW到860mW的输出功率范围内，芯片的水平远场发射角（FWHM）为6.3°～7.8°，垂直方向的远场发射角为15.9°。垂直与水平发射角的比值约为2.0。与垂直发射角度为20°的上一代芯片相比，新一代芯片到光纤的耦合效率可以提高大约4％。


Fig. 1 The output power and current-voltage characteristics of the 6570 laser diode chip at various temperatures
图1 新一代6570激光芯片在不同温度下，输出功率和驱动电流电压的特性


Fig. 2 Parallel and vertical far field profiles of the 6570 laser diode chip. 
图2  6570芯片水平和垂直方向的远场发射角

    在1.1W的功率下进行的寿命测试证明了新一代芯片设计的可靠性。图3是不同芯片的980nm泵浦可靠性比较。在FIT为100，新一代芯片的泵浦输出光功率功率为660mW，比上一代芯片的泵浦输出功率（480mW）提高约40％。在相同的输出功率下，新一代芯片的泵浦可靠性提高了5倍，480mW时的失效率仅为20FIT。


Fig. 3Fit rate vs. power between 6570 and 6560 laser diode chip.
图3 6570和6560芯片失效率的对比


Fig. 4 LI and VI curves for the laser diode chip and FBG-stabilized module.
图4 基于新一代芯片的FBG波长锁定激光器L-I和V-I曲线

三． Kink-free 功率为700mW的980nm 泵浦源
    图4是采用新一代芯片设计的蝶型封装980nm泵浦源的典型L-I曲线。在1.4A的驱动电流下， kink-free输出功率为850mW。在2V的前向驱动电压下，激光器的驱动电流为1.08A，输出功率为700mW。光纤准直技术和封装技术都是采用可靠的成熟的平台。采用传统的带透镜光纤，激光芯片到光纤的耦合效率约为78％。
    图5（a）是976nm光纤布拉格光栅（FBG）稳频下激光的典型输出光谱。图5（b）是激光波长和带内功率与注入电流的关系曲线。从阈值电流到1.4A，激光输出波长的变化小于0.2nm。由此可见，激光器从20mW到工作功率的宽范围内实现波长的锁定。



Figs. 5(a) Lasing spectra for a 976 nm FBG-stabilized module; (b) Lasing peak wavelength and power-in-band vs. drive current. 
图5 （a）FBG波长锁定976nm泵浦的光谱；（b）激光峰值与带内功率与驱动电流的关系


Fig. 6 NF performance improved with higher power 980nm pump
图6  高功率980nm泵浦EDFA的噪声改善

四． 高功率激光器对EDFA性能的改善
    图6是采用高功率激光器对EDFA噪声系数（NF）改善的例子。图中的曲线spec是设计EDFA的目标NF。曲线500mW KF是采用上一代泵浦源可以达到的NF。曲线600mW KF是新一代泵浦源设计的EDFA可以达到的NF。由此可见，更高功率的泵浦源可以实现此EDFA噪声特性的改善。越来越普遍使用的Agile EDFA中，集成了ROADM，DCF，VOA等多种功能性模块，这些功能模块对EDFA的功率和噪声系数带来影响，可以通过更高功率泵浦部分补偿。

五． 总结
    我们对新一代980nm半导体激光器的特性进行了描述。新一代芯片具有低的阈值电流，23mA；高的转换效率，0.9W/A；高的kink-free功率，1.1W和更优的远场发射角，垂直发射16°。布拉格光栅锁定波长的泵浦激光器kink-free功率达到700mW以上。高可靠性高功率泵浦源产品的推出为新一代EDFA提供了更佳的应用前景。

作者简介：
张岩滨，男，1969年12月出生。2006年任职JDSU高功率激光器市场经理。
JDSU，深圳市福田保税区红棉路3号，518038
Email: yanbin.zhang@jdsu.com