波長可調諧雷射器

2021-01-17 飛哥隨筆

自從半導體雷射器研製成功以後，波長可調諧的半導體雷射器就一直是被廣泛研究的課題。波長可調諧雷射器不僅可以作為DWDM的備份光源，還是智能光網絡的關鍵因素。另外，在相干光模塊中，波長可調諧雷射器作為本振光光源也不可或缺；5G的應用中，波長可調的tunable光模塊也備受期待。

 

波長可調諧雷射器的調諧原理是通過各種技術手段直接或間接改變雷射器腔長，使諧振腔中諧振模式的位置發生微小移動，並通過波長選擇器件選擇出特定的波長。一般來說，改變腔長屬於細調，波長選擇器件屬於粗調。

 

下面是波長可調諧的原理示意圖：


一個半導體雷射器由兩個反射面和增益波導組成。增益波導提供增益放大，在注入電流的作用下，增益逐漸變大，圖中紅色的曲線Gain就是增益譜；在兩個反射面組成的諧振腔裡，一定波長的光會在諧振腔形成振蕩，振蕩條件是mλ/2 = nL。所有符合振蕩條件的波長都有可能激射，圖中的激射波長和備胎波長都是振蕩波長。

當多個振蕩波長（或稱為模式、縱模）激射時，就是多模雷射器，如FP雷射器；

當諧振腔中有一個帶通濾波器（filter），選擇一個波長通過，過濾掉其他振蕩波長時，就是單模雷射器，如DFB雷射器、DBR雷射器等；

當帶通濾波器中心波長可以移動，可選擇不同的振蕩波長通過就是波長可調諧雷射器。

波長改變的物理原理及方法：

 

波長可調諧半導體雷射器在具體實現上有多種形式,，按波長調諧機構與有源放大區的組合方式可大致分為外腔型和單片集成型兩大類。從波長調諧的方式上可以分為：電流控制技術、溫度控制技術和機械控制技術等類型。



幾種典型的波長可調諧雷射器：

 

1.DFB陣列型

DFB陣列型可調諧雷射器[文獻1]

圖所示為一個DFB陣列型可調諧雷射器的示意圖，這一方案最早由日本NEC公司提出。器件由8個不同波長的DFB雷射器陣列、S型彎曲波導、多模幹涉耦合器(MMI)和一個半導體光放大器(SOA)四部分組成。每個雷射器的波長有3-4nm的偏差，波長的調諧通過選擇合適的波長的雷射器激射配合溫度調諧來實現。其波長的調諧範圍為通道數乘以波長偏差，可以實現30nm以上的調諧範圍。

這種結構的可調諧雷射器具有單個雷射器本身良好的特性，控制也相對簡單；但是對外延工藝和光柵製作的工藝要求比較高，另外MMI耦合器會引起額外的功率損失，需要通過SOA來補償出光功率。

2.取樣光柵DBR結構(SGDBR)


SGDBR結構實體圖（上圖）；前後兩個光柵反射鏡的反射譜（下圖）

[文獻2，3]

一個取樣光柵結構如圖所示，SGDBR由前後兩個光柵反射鏡、增益區和相位區組成。SGDBR的前端集成了一個SOA和一個MZ調製器。SGDBR的前後兩個反射鏡是由不同周期的取樣光柵構成，分別為圖中的front mirror和rear mirror。兩個取樣光柵設計為不同的光柵周期，使其反射率最大值周期不同，當且只有腔內的振蕩模式同時處於兩個光柵最大反射率的頻率上時才會形成諧振放大，如圖中的1570nm位置。

在工作中，通過不斷改變注入電流來調節一個光柵的反射譜向某一個方向移動，這樣就可以使不同波長的反射峰重合（遊標效應），從而依次選擇出間隔相同的波長。通過兩端取樣光柵反射波長的改變來選模一般得到是不連續的較大間隔粗調諧。想要的到精細的波長調諧，需要引入相位區，通過電流改變該波導的折射率來改變振蕩模式的位置，這樣可以在每個波長周圍的範圍內可以形成一定的連續調諧。SGDBR就是通過取樣光柵和相位區的配合，來實現大範圍的連續波長調諧，其波長調諧範圍可以達40nm以上。


3.Littman-Metcalf 外腔結構

Littman-Metcalf 外腔結構原理圖[文獻4]

一個典型的Littman-Metcalf 外腔結構波長可調諧雷射器如圖所示。其結構包括一個雷射器晶片（一端鍍高反射膜，一端鍍增透膜）、lens、反射型衍射光柵、外腔反射鏡。固定的反射型衍射光柵作為色散元件，使某個波長的1級衍射光在雷射器和外腔鏡之間形成振蕩，0級衍射光形成輸出。通過機械結構使外腔鏡面繞一個虛支點旋轉，使外腔鏡在不同的位置選擇不同的1級衍射波長。另外，外腔鏡位置的改變能夠，也同時改變振蕩模式的位置，從而實現連續的波長調諧。

外腔可調諧雷射器因為具有較高的輸出功率、調諧範圍寬和雷射線寬窄等優點。但是，傳統的機械調諧設計的體積較大，在實際應用中受到限制。

於是一種MEMS驅動的Littman-Metcalf 外腔結構波長可調諧雷射器被設計出來。其外腔鏡面轉動通過MEMS實現，可以實現常規的蝶形封裝。該器件可以實現40nm的調諧範圍，線寬小於50kHz。

MEMS驅動的Littman-Metcalf 外腔結構波長可調諧雷射器 [文獻5]

4.波導型外腔結構

波導型外腔結構的可調諧雷射器，通常由集成光子晶片外腔和III-V族的SOA組成。集成光子晶片外腔負責波長選擇，III-V族的SOA提供增益。


(a)矽基波長可調諧雷射器示意圖; (b)雷射器波長調諧示意圖 [文獻6]

2009年，我的導師儲濤老師實現了第一個矽基波長可調諧雷射器。它由III-V族SOA與矽基微環外腔晶片組成，SOA通過flip-chip binding的方式集成在矽基微環外腔晶片上。矽基微環外腔晶片由兩個半徑大小不同的微環組成，採用與取樣光柵原理類似的遊標效應實現波長的調諧。該雷射器外腔的尺寸僅700 x 450 µm。這種設計的波長可調諧雷射器具有尺寸小、功耗低、調諧範圍大等優點。另外，基於和COMS工藝兼容的矽光平臺，這種設計極有可能實現低成本的波長可調諧光源。 

NEC公司和東京大學合作開發的可調諧雷射器示意圖(a)和濾波器設計(b) [文獻7]

2015年，在此結果的基礎上，NEC公司和東京大學的Yamada教授課題組的利用矽基微環波導光學外腔，通過腔長設計和兩段SOA實現了高功率、窄線寬的波長可調諧雷射器。該器件，在整個C波段實現了超過100mW(20dBm)的光纖耦合輸出功率和小於15kHz的線寬。

此外，UCSB、新加坡南洋理工、荷蘭特溫特大學、華為公司等單位，在波導型外腔可調諧雷射器的研究上也有很多可喜的進展。

參考文獻：

[1] 餘永林. 「可調諧半導體雷射器的發展」

[2] J. S. Barton, et al, 「Tailorable Chirp using IntegratedMach-Zehnder Modulators with Tunable Sampled-Grating Distributed Bragg ReflectorLasers」

[3] Larry A. Coldren, 「UCSB Semiconductor Laser Advances: The MiddleYears Applications that stimulated advances 20 years ago are now the latestrage」

[4] Larry A. Coldren, 「Tunable Semiconductor Lasers」

[5] Di Zhang etal. 「Compact MEMS external cavity tunable laser with ultra-narrow linewidth forcoherent detection」

[6] T. Chu et al. 「Compact,lowerpowerconsumption wavelength tunable laser fabricated with silicon photonic wirewaveguide micro ring resonators」

[7] N. Kobayashi et al. 「Siliconphotonic hybrid ring filter external cavity wavelength tunable lasers」

 


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