新型可调谐半导体激光器产业化进展如何?

　　1962年，研究人员Hall等成功制备出砷化镓半导体激光器，成为半导体激光器元年。1966年，高锟开创性地提出光导纤维的基本原理，分析利用玻璃制作光学纤维的可行性。通过减少玻璃中的杂质，能够高效、低损地传输信息。1970年，美国康宁突破性地将高锟光纤理论变为现实，成功制备出世界上第一个光纤，该光纤的损耗低于20 dB/km。

　　光通信时代就此拉开序幕，光通信中的主要光源——半导体激光器也得到迅猛发展，GaAs、InP、GaN等Ⅲ-V族化合物直接带隙半导体材料以高量子效率在半导体激光器中得到广泛应用，并发展出具有高功率、脉冲、窄线宽、可调谐等多种特性的半导体激光器。其中可调谐半导体激光器在光通信、激光雷达、传感检测等方面获得了广泛应用。

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　　传统可调谐半导体激光器商用情况

　　目前，可调谐半导体激光器衍生出多种光调谐激光器方案，主要包括外腔可调谐激光器、分布反馈(DFB)阵列可调谐激光器、分布反射(DBR)可调谐激光器、单片集成微环可调谐激光器等。

　　外腔激光器具有腔长长、线宽窄、调谐范围宽、功率大、边模抑制比高等优点，适合于长距离相干通信。但是外腔激光器分立元件多、体积大、封装难度大、成本高，基于机械调谐和热调谐的方案调节速度较慢，导致应用范围受到影响，主要应用于实验室。

　　DFB激光器具有波长稳定性好、可靠性强、成本低等特点，在现代通信网络中海量应用。DFB阵列可调谐激光器采用成熟的 DFB激光器组合，具有稳定性较好、调谐原理简单且易于定标的特点，但是芯片良品率随集成 DFB激光器数量增加呈指数下降。多模干涉(MMI)和级联结构方案的耦合损耗大、输出功率较低;机械旋转方案的耦合损耗小、输出功率高，但是制作成本高、长期稳定性差。

　　普通VCSEL具有低功耗、低成本、高调制速率等优势，目前已经在短距通信中大量应用，如数据中心大量使用 850 nm VCSEL 激光器。但是，可调谐 VCSEL由于功率低、长波单模 VCSEL 制作困难、良率低，难以在城域密集波分系统中应用。

　　可调谐DBR激光器目前已经成功商用，如采样光栅分布反射(SG-DBR)可调谐激光器最早被 JDSU(现 Lumentum)成功商用。数字超模分布反射(DS-DBR)激光器被Bookham(Oclaro)公司实现了商用。目前这两种可调谐激光器的相关技术都归于Lumentum。NTT公司提出一种超结构光栅 DBR(SSG-DBR)激光器，因超结构光栅的工艺难度较大，未能大范围推广使用。另外一款商用比较成功的激光器为瑞典皇家理工学院研制的光栅Y分支(MG-Y)激光器，已在 Finisar(被Ⅱ- Ⅳ(现为Coherent)收购)公司进一步改进和批量商用。

　　SG-DBR激光器、DS-DBR激光器、MG-Y激光器都需要制作光栅，尺寸大、成本高，特别是 DS-DBR的调谐电极数量较多，封装难度大。表1为主要商用可调谐半导体激光器对比。

　　表1 主要商用可调谐半导体激光器对比

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　　新型V型腔可调谐半导体激光器

　　V型腔可调谐半导体激光器由于具备结构简单紧凑、性能优良、制作简单、工艺成熟、成本低廉等特点，在光通讯领域有着较大的应用潜力。

　　研究进展

　　2011年，浙江大学成功设计和制作出基于半波耦合的V型腔可调谐激光器，如图1所示，实现了26通道、100 GHz间隔的宽带调谐。并于2013年扩展了V型腔可调谐激光器的调谐范围。

　　图1 半波耦合V型腔可调谐激光器。(a)芯片结构;(b)调谐光谱

　　2014年，荷兰COBRA基于3×3耦合器研制了V型腔可调谐激光器，优化了输入端光场的耦合。该激光器通过选择耦合单元复传输系数来增强模式选择效果，调谐范围可达6.5 nm，边模抑制比达到40 dB，如图2所示。

　　图2 COBRA V型腔可调谐激光器原理图和典型输出光谱

　　除C波段外，对其他波段的V型腔可调谐激光器的研究同样取得了突破。浙江大学与美国加州大学圣塔芭芭拉分校合作，采用InAs/GaAs量子点开发了O波段可调谐激光器，如图3所示。

　　图3 O波段可调谐激光器。(a)调谐光谱;(b)直接调制2 Gbit/s眼图;(c)6 Gbit/s眼图;(d)4 Gbit/s眼图;(e)8 Gbit/s眼图

　　V型腔可调谐激光器在中红外波段同样取得了突破。2020年，浙江大学与美国Oklahoma大学合作，采用InAs/GaSb/AlSb材料完成了3 μm中红外V型腔可调谐激光器开发，如图4所示。通过组合两段不同温度的调谐曲线可以实现60 nm范围的54通道调谐。

　　图4 中红外V型腔可调谐激光器。(a)典型光谱图;(b)不同电流和温度下的调谐曲线;(c)53 nm范围的47通道调谐光谱

　　2022年，浙江大学利用聚合镜像多模干涉耦合器进一步改进了半波耦合V型腔可调谐激光器，可实现单电极38通道(100 GHz和150 GHz)调谐;通过组合不同温度下的两个单电极调谐可实现52通道70 nm(1515~1585 nm)宽带调谐，边模抑制比达到45 dB。

　　为了实现高速数据传输，目前V型腔可调谐激光器已完成与EA调制器和M-Z调制器的单片集成。集成EA的V型腔可调谐激光器已实现产业化。

　　产业化进展

　　V型腔可调谐激光器的结构简单、制作成本低、调谐范围宽，目前在产业化方面也取得了重要进展。2017年，杭州兰特普实现了93信道、50 GHz间隔的全C波段可调谐光模块，采用直接调制方式，在2.5 Gbit/s速率下可在单模光纤中传输50 km以上，在8.5 Gbit/s速率下可传输10 km。

　　杭州兰特普已推出10 Gbit/s的DML和EML SFP器件和模块产品。10 Gbit/s直调可调谐激光器由于存在1550 nm波段色散问题，目前不支持长距离传输;10 Gbit/s EML激光器啁啾较小，可支持50 km长距离传输。2022年，杭州兰特普通过进一步优化EA芯片结构和器件封装设计，推出了25 Gbit/s 32信道可调EML器件和模块样品。

　　随着5G技术的快速发展，在5G前传使用WDM来节省光纤、利用调顶技术来管理远端光模块已经成为运营商的共识。中国联通提出的G.698.4(原G.metro)是具有端口无关功能的多信道单纤双向DWDM应用技术标准，其架构如图5所示。

　　图5 G.698.4网络架构杭州兰特普研制的智能可调光模块采用的调顶速率为50 kHz，调制幅度小于8%，并利用曼彻斯特编码和汉明码纠错功能，可以在-5 dBm~-25 dBm接收功率范围内无错误运行，符合中国联通的G.metro标准。目前，基于低比特调顶技术的智能可调光模块支持在无人工参与下实现头端设备(HEE)光模块和尾端设备(TEE)光模块的波长配对;支持在无人工参与下自动感知当前DWDM网络光复用器/解复用器的端口，实现自动互联;支持模块的远程管理。

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　　总结

　　V型腔可调谐激光器的调谐范围已达到70 nm，边模抑制比达到45 dB;实现了V型腔可调谐激光器与EA和M-Z的单片集成;激光器波段从C波段扩展到O波段和中红外波段。该类激光器已实现产业化，10 Gbit/s EML可调模块可以实现50 km无误码传输;25 Gbit/s可调模块眼白达到30%以上，满足25 Gbit/s传输要求。

　　V型腔可调谐激光器具有尺寸小、调节范围大、成本低等优点，在未来DWDM网络和数据中心分布式光交换等领域有良好的应用前景。