Furukawa窄線寬可調(diào)諧激光器：相干光通信的核心技術(shù)突破與演進(jìn)

　　引言：光通信時代的光源革命

　　隨著數(shù)據(jù)流量的指數(shù)級增長，數(shù)字相干光通信技術(shù)正從長距離干線傳輸向短距離城域網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)(DCI)等場景滲透。作為相干通信系統(tǒng)的“心臟"，可調(diào)諧激光器需同時滿足波長覆蓋擴(kuò)展、線寬壓縮、尺寸功耗微型化等多重挑戰(zhàn)。古河電工集團(tuán)通過半導(dǎo)體集成技術(shù)與外腔結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，開發(fā)出系列窄譜線寬集成可調(diào)諧激光器組件(ITLA)，為400G/800G及下一代超高速光網(wǎng)絡(luò)提供了核心技術(shù)支撐。

　　一、技術(shù)需求與理論基礎(chǔ)：從性能指標(biāo)到物理本質(zhì)

　　1.1 可調(diào)諧激光器的核心性能參數(shù)

　　- 波長調(diào)諧范圍：傳統(tǒng)C波段(1529-1567nm，約40nm)已無法滿足容量需求，擴(kuò)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(tǒng)50GHz網(wǎng)格的100+信道。

　　- 光輸出功率：短距離系統(tǒng)(如數(shù)據(jù)中心)要求光纖輸出功率15-19dBm(31.6-79.4mW)，以補(bǔ)償無源器件損耗;長距離系統(tǒng)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(tǒng)要求線寬<500kHz，而16QAM/64QAM調(diào)制下需進(jìn)一步壓縮至100-300kHz，下一代200Gbaud以上系統(tǒng)則要求<50kHz。

圖1光譜線寬的計(jì)算值

　　1.2 線寬控制的理論模型

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

　　- 腔長效應(yīng)：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(jié)構(gòu)：集成外部波導(dǎo)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(shù)量級。

　　二、陣列型可調(diào)諧激光器：從DFB到AWG-DR的技術(shù)迭代

　　2.1 DFB激光陣列：寬調(diào)諧范圍的基礎(chǔ)方案

　　- 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：單片集成12個波長間隔3.5nm的DFB激光器，通過溫度調(diào)諧(35℃溫度變化對應(yīng)3.5nm波長偏移)實(shí)現(xiàn)42nm覆蓋范圍。

　　- 線寬優(yōu)化：為滿足相干通信需求，腔長從IM-DD系統(tǒng)的400-500μm(線寬~2MHz)延長至1200-1500μm，實(shí)現(xiàn)線寬<300kHz。

　　- 局限性：依賴溫度調(diào)諧導(dǎo)致功耗較高，且多模干涉儀(MMI)復(fù)用器存在1/M的合并損耗(M為激光器數(shù)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(diào)波長激光模塊的結(jié)構(gòu)(b)

　　- 創(chuàng)新結(jié)構(gòu)：在DFB激光器后集成分布式布拉格反射器(DBR)形成DR(Distributed Reflector)結(jié)構(gòu)，前端單片集成陣列波導(dǎo)光柵(AWG)復(fù)用器。

　　- DR結(jié)構(gòu)：降低鏡面損耗與閾值電流，提升線寬性能;

　　- AWG復(fù)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(shè)計(jì)：SOA與激光芯片分離，中間插入隔離器以防止自發(fā)輻射光混入激光腔，同時獨(dú)立控制SOA溫度以實(shí)現(xiàn)低溫高功率工作。

　　- 性能指標(biāo)：光纖輸出功率>19dBm(80mW)，線寬<100kHz，邊模抑制比(SMSR)>45dB，已應(yīng)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(huán)激光器：緊湊型ITLA的技術(shù)革新

　　3.1 單片集成DBR/環(huán)結(jié)構(gòu)：外腔游標(biāo)效應(yīng)

圖5 單片集成DBR/環(huán)形激光芯片的示意圖

　　- 設(shè)計(jì)原理：在單增益區(qū)后方集成環(huán)形反射器，前方集成DBR和半導(dǎo)體光放大器(SOA)，利用游標(biāo)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)波長調(diào)諧：

圖6 DBR和環(huán)形反射器的反射光譜計(jì)算結(jié)果及合成光譜

　　- DBR反射峰：通過相位調(diào)制設(shè)計(jì)8個反射峰;

　　- 環(huán)形反射器：具有無限周期性反射峰，兩者峰間隔設(shè)計(jì)為微小差異，僅在重合波長處形成高反射率，實(shí)現(xiàn)單模激射。

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

圖8 DBR/環(huán)激光模塊的光譜線寬

　　3.2 擴(kuò)展C波段優(yōu)化：從2×2 MMI到1×2 MMI的演進(jìn)

　　- 結(jié)構(gòu)改進(jìn)：將環(huán)形反射器的2×2多模干涉儀(MMI)改為1×2 MMI，縮短環(huán)電路長度，使自由光譜范圍(FSR)從4.5nm增至7.2nm;擴(kuò)展DBR的FSR，反射峰數(shù)量從8個減少至7個，制造容差從±50nm提升至±100nm。

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

圖9 計(jì)算得到的2x2 MMI(左側(cè))和1x2 MMI(右側(cè))的損耗特性結(jié)果，圖10 環(huán)形反射器的表面圖片，圖11使用1x2毫米的擴(kuò)展C波段DBR/環(huán)激光器的拉曼散射光譜和光學(xué)輸出

　　四、ITLA控制電路與微型化：從標(biāo)準(zhǔn)到納米級突破

　　4.1 OIF標(biāo)準(zhǔn)與控制架構(gòu)

　　- 接口標(biāo)準(zhǔn)化：遵循OIF制定的ITLA標(biāo)準(zhǔn)，通過串行接口(如I2C/SPI)實(shí)現(xiàn)波長、功率、溫度等參數(shù)的遠(yuǎn)程控制，存儲器存儲電流、溫度等配置參數(shù)。

　　- 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(huán)/相位/TEC等控制模塊，通過軟件算法優(yōu)化濾波器配置，降低硬件復(fù)雜度。

　　4.2 小型化與功耗演進(jìn)

　　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(huán)激光模塊，適用于QSFP-DD等緊湊型收發(fā)器。

圖12 ITLA微型化過渡

　　五、下一代超窄線寬激光器：外腔結(jié)構(gòu)的前沿探索

　　5.1 外腔激光器設(shè)計(jì)：限制因子優(yōu)化

圖14 使用外部光柵和鏡子配置外部腔體可調(diào)激光器

　　- 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：增益區(qū)前集成DBR和SOA，后方設(shè)置外部反射鏡與硅標(biāo)準(zhǔn)具(etalon)，外腔長度擴(kuò)展至毫米級，使限制因子降至1/5以下。

　　- 理論優(yōu)勢：自發(fā)輻射光在外部波導(dǎo)中與激光光分離，線寬與Γz2成比例縮小，預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)<20kHz線寬。

　　5.2 實(shí)測性能與挑戰(zhàn)

　　- 當(dāng)前進(jìn)展：覆蓋C波段(1530-1565nm)，線寬<50kHz，SMSR>50dB，滿足下一代超高速系統(tǒng)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(jié)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(jié)果

　　- 待解決問題：

　　① 安裝復(fù)雜度高，需高精度光學(xué)對準(zhǔn);

　　② 長腔長導(dǎo)致縱模間隔縮小(~100MHz)，波長控制敏感性增加。

　　六、總結(jié)

　　古河電工的窄線寬ITLA技術(shù)已形成完整體系：微型ITLA(AWG-DR結(jié)構(gòu))實(shí)現(xiàn)19dBm輸出與<100kHz線寬，納米ITLA(DBR/環(huán)結(jié)構(gòu))達(dá)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(xiàn)： PIC Worker 光芯

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