可調(diào)諧DFB陣列激光器的制備與測(cè)試

孔　軒，林沂杰，梁　晶

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所,揚(yáng)州 225001)

?

可調(diào)諧DFB陣列激光器的制備與測(cè)試

孔軒，林沂杰，梁晶

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所,揚(yáng)州 225001)

摘要：針對(duì)一種新型重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)的分布反饋式(DFB)激光器陣列芯片封裝的特點(diǎn)，研制并測(cè)試輸出波長(zhǎng)范圍為1 310～1 319 nm的可調(diào)諧激光器，以1 310 nm窗口波段光通信為研究對(duì)象，使用PC機(jī)和微處理器(MCU)通信實(shí)現(xiàn)激光器陣列波長(zhǎng)調(diào)諧。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)可應(yīng)用于1 310 nm波段的密集波分復(fù)用(DWDM)系統(tǒng)并且能夠保持50 GHz間隔0.01 nm的波長(zhǎng)精度。

關(guān)鍵詞：分布反饋式激光器；重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)；波長(zhǎng)

0引言

光纖通信由于其寬帶寬、速率高等優(yōu)勢(shì)成為實(shí)現(xiàn)信息物聯(lián)化與智能化的最佳通信方案。而在光纖技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟的情況下，光纖通信傳輸?shù)哪┒?，也就是接入網(wǎng)階段讓普通用戶(hù)享受到真正寬帶服務(wù)的光纖到戶(hù)(FTTH)成為了未來(lái)光纖通信的一大研究熱點(diǎn)。FTTH作為寬帶發(fā)展的新一代接入網(wǎng)技術(shù)，是基于波分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(WDM-PON)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，而WDM-PON系統(tǒng)中最大的特點(diǎn)在于發(fā)掘了光波波長(zhǎng)這一潛在優(yōu)勢(shì)，使得系統(tǒng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)能夠滿(mǎn)足帶寬急劇增長(zhǎng)的需求。

WDM-PON系統(tǒng)在當(dāng)前發(fā)展過(guò)程中的主要問(wèn)題集中在光纖線(xiàn)路終端(OLT)與光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)的光信號(hào)發(fā)射端，系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需要的光源必須是特定的、多波長(zhǎng)激光器，而且要在提供足夠高的功率與可調(diào)的波長(zhǎng)條件下考慮生產(chǎn)實(shí)用化的低成本。目前，國(guó)外主要通過(guò)電子束曝光與單片集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)激光器的制備[1]，這種方法雖然理論上可以達(dá)到符合ITU-T標(biāo)準(zhǔn)的多波長(zhǎng)可調(diào)要求，然而實(shí)際情況是通過(guò)電子束掃描與納米壓印法等復(fù)雜工藝，成本高昂，可重復(fù)性低，而且做出來(lái)的激光器波長(zhǎng)精準(zhǔn)度差，另需要提供特定的溫度與電流[2]才能正常工作，當(dāng)前仍不適于大規(guī)模低成本的商業(yè)生產(chǎn)[3]。

可調(diào)諧激光器主要分為分布反饋(DFB)、分布式布拉格反射鏡(DBR)或外腔半導(dǎo)體激光器(ECDL)。外腔半導(dǎo)體激光器通常使用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧，能夠覆蓋C波段且邊模抑制比大于40 dB,但是此方法受體積和組裝的復(fù)雜性所限。分布式布拉格反射鏡激光器由有源區(qū)、相位區(qū)和布拉格區(qū)構(gòu)成，波長(zhǎng)調(diào)諧的原理是通過(guò)改變注入電流來(lái)修改折射率從而改變中心波長(zhǎng)。雖然它可以實(shí)現(xiàn)大的波長(zhǎng)的調(diào)諧范圍以及精確的波長(zhǎng)調(diào)諧，但是它存在多電極陣列之間模式跳變的不穩(wěn)定和通道間波長(zhǎng)無(wú)縫連接的算法復(fù)雜問(wèn)題[4]。由于出色的單橫模和可靠性，分布反饋激光器成為光纖通信的主流光源。然而，單個(gè)DFB激光器通過(guò)熱調(diào)諧僅有不到5 nm的波長(zhǎng)可調(diào)諧范圍，解決方案一般是使用多DFB激光器陣列來(lái)擴(kuò)大波長(zhǎng)范圍。

本文使用4個(gè)波段的DFB激光器陣列實(shí)現(xiàn)，波長(zhǎng)可調(diào)諧范圍從1 310 nm到1 319 nm，同時(shí)結(jié)果表明由于其成熟的工藝、良好的穩(wěn)定性以及低廉的成本，DFB激光器陣列有可能成為光接入網(wǎng)絡(luò)中WDM-PON可調(diào)諧激光光源的最佳解決方案。

1重構(gòu)-等效啁啾(RFC)技術(shù)

最新研究的重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)提供了一種全新的制造DFB激光器陣列的方法。重構(gòu)-等效啁啾是在已有成熟的集成工藝條件下，基于采樣布拉格光柵(SBG)實(shí)現(xiàn)的一種新的功能微結(jié)構(gòu)[5]。實(shí)際上，SBG可以看作許多短的光纖布拉格光柵(FBG)的級(jí)聯(lián)形式，REC亦可看作FBG的一種級(jí)聯(lián)反射模型，而2個(gè)相鄰反射面反射光的相位差為：

(1)

式中：Λ為光柵周期；β=2ηeffπ/λ，λ為入射光波波長(zhǎng)，ηeff為介質(zhì)有效折射率。

而當(dāng)各路反射光相位差為2mπ(m為整數(shù))時(shí)，總反射極大滿(mǎn)足Bragg條件：

(2)

這種滿(mǎn)足復(fù)雜信號(hào)反射條件的FBG結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平臺(tái)必須是納米量級(jí)的工藝制作水平，不適于實(shí)用量化。REC就在此基礎(chǔ)上提出了等效相移(EPS)，并借用SBG采樣函數(shù)來(lái)獲得等效啁啾， 相對(duì)于FBG的亞微米量級(jí)，SBG的采樣周期為毫米量級(jí)，其突出意義在于傳統(tǒng)方法上130 nm以下(即激光器 DFB 光柵周期的一半 )的微納結(jié)構(gòu)可通過(guò)采用放大1.5 μm以上的微結(jié)構(gòu)功能尺度去實(shí)現(xiàn)。實(shí)際工藝操作也只是在傳統(tǒng)全息曝光產(chǎn)生均勻光柵基礎(chǔ)上進(jìn)行二次曝光產(chǎn)生取樣圖形，這就實(shí)現(xiàn)了在原有工藝基礎(chǔ)上做出nm量級(jí)的微結(jié)構(gòu)，從而極大地解放了設(shè)備的成本壓力。λ/4等效相移EPS基于REC技術(shù)制作出的八通道陣列激光器分布均勻，波形良好，符合ITU-T的WDM波長(zhǎng)通道間隔標(biāo)準(zhǔn)[6]，本文使用的模塊光束質(zhì)量如圖1 所示。

圖1　四波段DFB激光器位于1 310 nm的光譜圖

圖1是偏置電流為30 mA， 四通道陣列DFB激光器陣列在1 310 nm波段出射光譜圖。從圖中可以看出，各波形邊模抑制比(SMSR)為40 dBm以上，輸出功率大于-10 dBm，各中心波長(zhǎng)分別為1 311.98 nm、1314.06 nm、1316.11 nm和1 317.86 nm[7]。

2激光器實(shí)現(xiàn)

本文DFB激光器陣列的波長(zhǎng)調(diào)諧是通過(guò)溫度調(diào)諧以及對(duì)各通道開(kāi)關(guān)配合實(shí)現(xiàn)的。具體而言，調(diào)諧過(guò)程分為2個(gè)步驟：(1)開(kāi)關(guān)選通，即根據(jù)PC端所需的波長(zhǎng)在4個(gè)通道中選出合適的中心波長(zhǎng)單個(gè)激光芯片；(2)溫度調(diào)諧，即通過(guò)控制制冷器(TEC)來(lái)改變溫度，調(diào)整此時(shí)工作的激光器諧振腔，進(jìn)而得到想要的精確波長(zhǎng)。最終輸出總體波長(zhǎng)調(diào)諧是通過(guò)4個(gè)波段的配合完成，其調(diào)諧范圍從1 310到1 319 nm，調(diào)諧溫度范圍從10.3 ℃到38.2 ℃，各通道可調(diào)諧范圍約2 nm?？刂葡到y(tǒng)方面，PC發(fā)送指令給微處理器(MCU)來(lái)控制硬件提供合適的偏置電流和溫度。結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

上位機(jī)PC的控制軟件由Labview制作，手動(dòng)輸入波長(zhǎng)信息命令下位機(jī)MCU進(jìn)行相應(yīng)的操作，其通訊接口為RS-232串行端口，并且設(shè)計(jì)了一套通訊協(xié)議的波段用于命令傳輸。MCU收到從PC發(fā)出的指令后，選擇合適的通道與電流，同時(shí)MCU還控制熱電冷卻器來(lái)保持激光器陣列(LDA)在適當(dāng)?shù)臏囟认鹿ぷ?，以發(fā)射需要的波長(zhǎng)信息。圖3給出了軟件界面。

圖2　可調(diào)諧激光器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

圖3　軟件界面的前后面板

圖4　左圖給出了老化前后實(shí)驗(yàn)對(duì)比的差異，右圖為放大的差異圖

圖5　左圖給出了最終結(jié)果和理想結(jié)果間的差異，右圖為放大的差異圖

按照實(shí)驗(yàn)要求對(duì)該系統(tǒng)做了72 h的高溫(65～75 ℃)老化試驗(yàn)。老化試驗(yàn)和跟蹤試驗(yàn)表明系統(tǒng)的可靠性?xún)?yōu)良，最大波長(zhǎng)偏差小于12 pm。由于溫度控制方法比較成熟，所以系統(tǒng)很容易得到精準(zhǔn)的出射波長(zhǎng)。此外，由于各通道中心波長(zhǎng)分布均勻，各通道分?jǐn)偟恼{(diào)諧波長(zhǎng)合適，具有良好的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)過(guò)程未出現(xiàn)模式跳變的不穩(wěn)定問(wèn)題。老化實(shí)驗(yàn)后，測(cè)試結(jié)果符合國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU-T)在50 GHz間隔通信標(biāo)準(zhǔn)，波長(zhǎng)偏差低于15 pm。以上所有數(shù)據(jù)的采樣均在間隔為50 GHz、電流為40 mA的條件下進(jìn)行。老化實(shí)驗(yàn)前后結(jié)果對(duì)比差異以及最終結(jié)果如圖4、圖5所示。相比DBR和ECDL，可調(diào)諧DFB激光器陣列的缺點(diǎn)在于調(diào)諧時(shí)間較長(zhǎng)(約30 s)。然而，DFB激光器陣列由于其精度高、波長(zhǎng)調(diào)諧準(zhǔn)確性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)大批量工業(yè)使用中擁有巨大的潛力。光網(wǎng)絡(luò)中，特別是接入網(wǎng)中的光網(wǎng)絡(luò)單元，可調(diào)諧DFB激光器陣列滿(mǎn)足低成本大量生產(chǎn)、相同時(shí)間內(nèi)低調(diào)諧速度需求。因此，這種方式在未來(lái)光纖到戶(hù)應(yīng)用上低成本的要求中具有極大的實(shí)用價(jià)值。

3結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種新型DFB可調(diào)諧激光系統(tǒng)，系統(tǒng)中激光器陣列具有均勻波長(zhǎng)間隔，最終實(shí)現(xiàn)了1 310～1319 nm波長(zhǎng)可調(diào)范圍。調(diào)諧波長(zhǎng)的最大偏差限制在15 pm且無(wú)模式跳變問(wèn)題。隨著激光陣列通道的增加，能夠獲得更寬的波長(zhǎng)可調(diào)范圍，延伸至C波段和 L波段。此外還可以利用半導(dǎo)體光放大器(SOA)來(lái)提高輸出功率。對(duì)于連接網(wǎng)絡(luò)中的WDM-PON，通過(guò)這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)低成本和高可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]FUJISAWA T,KANAZAWA S,TAKAHATA K,et al.1.3 μm,4×25 Gbit/s,EADFB laser array module with large-output-power and low-driving-voltage for energy-efficient 100 GbE transmitter[J].Opt.Express,2012,20(1):614-20.

[2]KISH J,JOYNER H,WELCH F,et al.Method of operating an array of laser sources integrated in a monolithic chip or in a photonic integrated circuit (PIC)[J].US Patent US7079720B2,2006-7-18，USA.

[3]ISHII H,KASAYA K,OHASHI H,et al.Widely wavelength-tunable DFB laser array integrated with funnel combiner[J].IEEE Selected Topics in Quantum Electronics,2007,13(5):1089-1094.

[4]CHEN X F,LIU W,AN J M,et al.Photonic integrated technology for multi-wavelength laser emission[J].Chinese Science Bulletin,2011,56(28):3064-3071.

[5]LI J S,WANG H,CHEN X F,et al.Experimental demonstration of distributed feedback semiconductor lasers based on reconstruction-equivalent-chirp technology[J].Opt.Express,2009,17(7):5240-5244.

[6]SHI Y F,CHEN X F,ZHOU Y,et al.Experimental demonstration of eight-wavelength distributed feedback semiconductor laser array using equivalent phase shift[J].Optics Letters,2012,37(16):3315-3321.

[7]NI Y,KONG X,GU X,et al.Packaging multi-wavelength DFB laser array using REC technology[J].Optics Communications,2014,312(14):123-126.

Preparation and Testing of Tunable DFB Array Laser

KONG Xuan,LIN Yi-jie,LIANG Jing

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Abstract:Aiming at the characteristics of array chip encapsulation for a new distributed feedback (DFB) laser with a new reconstruction-equivalent-chirp technology,this paper develops and tests a tunable laser with the wavelength range from 1 310 nm to 1 319 nm,taking the laser communication of 1 310 nm window wave band as the study object,uses the personal computer (PC) and micro controller unit (MCU) communication to realize laser array wavelength tune.The study results show that this system can be applied to dense wavelength division multiplexing (DWDM) system at 1 310 nm and can keep the wavelength accuracy within the range of 0.01 nm in 50 GHz.

Key words:distributed feedback laser；reconstruction-equivalent-chirp technology；wavelength

收稿日期:2015-08-10

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.11

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：CN32-1413(2016)02-0058-04

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.015