Furukawa窄線寬可調諧激光器：相干光通信的核心技術突破與演進

　　引言：光通信時代的光源革命

　　隨著數據流量的指數級增長，數字相干光通信技術正從長距離干線傳輸向短距離城域網、數據中心互聯(DCI)等場景滲透。作為相干通信系統的“心臟"，可調諧激光器需同時滿足波長覆蓋擴展、線寬壓縮、尺寸功耗微型化等多重挑戰。古河電工集團通過半導體集成技術與外腔結構創新，開發出系列窄譜線寬集成可調諧激光器組件(ITLA)，為400G/800G及下一代超高速光網絡提供了核心技術支撐。

　　一、技術需求與理論基礎：從性能指標到物理本質

　　1.1 可調諧激光器的核心性能參數

　　- 波長調諧范圍：傳統C波段(1529-1567nm，約40nm)已無法滿足容量需求，擴展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50GHz網格的100+信道。

　　- 光輸出功率：短距離系統(如數據中心)要求光纖輸出功率15-19dBm(31.6-79.4mW)，以補償無源器件損耗;長距離系統可通過EDFA放大，對功率要求相對寬松。

　　- 線寬：相干通信依賴光的相位信息，線寬直接影響相位噪聲。25Gbaud QPSK系統要求線寬<500kHz，而16QAM/64QAM調制下需進一步壓縮至100-300kHz，下一代200Gbaud以上系統則要求<50kHz。

圖1光譜線寬的計算值

　　1.2 線寬控制的理論模型

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

　　- 腔長效應：DFB激光器腔長從450μm延長至1500μm時，鏡面損耗從52cm?1降至15-20cm?1，線寬可從1MHz壓縮至300kHz以下。

　　- 外腔結構：集成外部波導或諧振腔時，Γz < 1.線寬與Γz^2成比例縮小。例如，Γz=1/3時，線寬可降低一個數量級。

　　二、陣列型可調諧激光器：從DFB到AWG-DR的技術迭代

　　2.1 DFB激光陣列：寬調諧范圍的基礎方案

　　- 結構設計：單片集成12個波長間隔3.5nm的DFB激光器，通過溫度調諧(35℃溫度變化對應3.5nm波長偏移)實現42nm覆蓋范圍。

　　- 線寬優化：為滿足相干通信需求，腔長從IM-DD系統的400-500μm(線寬~2MHz)延長至1200-1500μm，實現線寬<300kHz。

　　- 局限性：依賴溫度調諧導致功耗較高，且多模干涉儀(MMI)復用器存在1/M的合并損耗(M為激光器數量)。

　　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)和可調波長激光模塊的結構(b)

　　- 創新結構：在DFB激光器后集成分布式布拉格反射器(DBR)形成DR(Distributed Reflector)結構，前端單片集成陣列波導光柵(AWG)復用器。

　　- DR結構：降低鏡面損耗與閾值電流，提升線寬性能;

　　- AWG復用器：利用波長選擇性耦合，效率比MMI高3dB以上，支持更高功率輸出。

　　- 模塊設計：SOA與激光芯片分離，中間插入隔離器以防止自發輻射光混入激光腔，同時獨立控制SOA溫度以實現低溫高功率工作。

　　- 性能指標：光纖輸出功率>19dBm(80mW)，線寬<100kHz，邊模抑制比(SMSR)>45dB，已應用于微型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/環激光器：緊湊型ITLA的技術革新

　　3.1 單片集成DBR/環結構：外腔游標效應

圖5 單片集成DBR/環形激光芯片的示意圖

　　- 設計原理：在單增益區后方集成環形反射器，前方集成DBR和半導體光放大器(SOA)，利用游標效應實現波長調諧：

圖6 DBR和環形反射器的反射光譜計算結果及合成光譜

　　- DBR反射峰：通過相位調制設計8個反射峰;

　　- 環形反射器：具有無限周期性反射峰，兩者峰間隔設計為微小差異，僅在重合波長處形成高反射率，實現單模激射。

　　- 外腔效應：無源波導反射器位于增益區外部，限制因子降低，理論線寬<100kHz，實測C波段線寬<100kHz，輸出功率17dBm(50mW)。

圖8 DBR/環激光模塊的光譜線寬

　　3.2 擴展C波段優化：從2×2 MMI到1×2 MMI的演進

　　- 結構改進：將環形反射器的2×2多模干涉儀(MMI)改為1×2 MMI，縮短環電路長度，使自由光譜范圍(FSR)從4.5nm增至7.2nm;擴展DBR的FSR，反射峰數量從8個減少至7個，制造容差從±50nm提升至±100nm。

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

圖9 計算得到的2x2 MMI(左側)和1x2 MMI(右側)的損耗特性結果，圖10 環形反射器的表面圖片，圖11使用1x2毫米的擴展C波段DBR/環激光器的拉曼散射光譜和光學輸出

　　四、ITLA控制電路與微型化：從標準到納米級突破

　　4.1 OIF標準與控制架構

　　- 接口標準化：遵循OIF制定的ITLA標準，通過串行接口(如I2C/SPI)實現波長、功率、溫度等參數的遠程控制，存儲器存儲電流、溫度等配置參數。

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

　　4.2 小型化與功耗演進

　　三代ITLA對比：

　　① ITLA：尺寸30.5×74×10.5mm3，功耗<6.6W;

　　② micro-ITLA：尺寸20×37.5×6.4mm3，功耗<5W，集成AWG-DR激光模塊;

　　③ nano-ITLA：尺寸17×26×5.4mm3，功耗~3W，集成DBR/環激光模塊，適用于QSFP-DD等緊湊型收發器。

圖12 ITLA微型化過渡

　　五、下一代超窄線寬激光器：外腔結構的前沿探索

　　5.1 外腔激光器設計：限制因子優化

圖14 使用外部光柵和鏡子配置外部腔體可調激光器

　　- 結構創新：增益區前集成DBR和SOA，后方設置外部反射鏡與硅標準具(etalon)，外腔長度擴展至毫米級，使限制因子降至1/5以下。

　　- 理論優勢：自發輻射光在外部波導中與激光光分離，線寬與Γz2成比例縮小，預計可實現<20kHz線寬。

　　5.2 實測性能與挑戰

　　- 當前進展：覆蓋C波段(1530-1565nm)，線寬<50kHz，SMSR>50dB，滿足下一代超高速系統需求。

圖15 使用外部光柵和鏡子的外腔激光器的拉曼光譜測量結果

圖16 使用外部光柵和鏡子的外腔激光器的光譜線寬測量結果

　　- 待解決問題：

　　① 安裝復雜度高，需高精度光學對準;

　　② 長腔長導致縱模間隔縮小(~100MHz)，波長控制敏感性增加。

　　六、總結

　　古河電工的窄線寬ITLA技術已形成完整體系：微型ITLA(AWG-DR結構)實現19dBm輸出與<100kHz線寬，納米ITLA(DBR/環結構)達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： PIC Worker 光芯

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