基于REC技術的可調諧半導體激光器

陳向飛/CHEN Xiangfei

肖如磊/XIAO Rulei

陸駿/LU Jun

（南京大學，中國南京210000）

半導體激光器具有體積小、功耗低、可靠性高、適合大規模量產等諸多優勢，正在逐步成為光子技術中最重要的光源之一?？烧{諧半導體激光器由于波長靈活可調的特性而得到廣泛應用，例如：使用波分復用的光接入網或相干光通信網，需要可調諧激光器來實現靈活的波長配置；光學相干斷層掃描成像、光頻域反射計或激光氣體傳感等系統，需要可調諧激光器實現波長掃描來進行相關檢測。

可調諧半導體激光器的實現難度主要體現在以下幾個方面。首先，可調諧半導體激光器需要實現單波長激射，這意味著它需要具有更精細的波長選擇功能的諧振腔，以實現在縱向和橫向的單模工作。其次，它的諧振腔需要具備靈活可調的功能，同時在諧振腔調節的過程中依然保持單模的工作狀態。最后，相比于光泵浦的激發方式，雖然電泵浦的半導體激光器僅注入電流就可實現發光，具有易配置、易使用等特點，但是電泵浦結構需要高效率的電致發光，而這對材料的設計與生長都提出了更高的要求。

1 可調諧半導體激光器主要技術

最近幾十年，研究者通過構建不同類型的諧振腔調諧方式，實現了多種可調諧半導體激光器。根據諧振腔的集成方式，可調諧半導體激光器可分為分立外腔結構和單片集成腔體結構兩大類。其中，分立外腔結構是指將半導體增益結構與外部諧振腔通過空間光學耦合在一起，并通過對外部諧振腔的調節來實現對激射波長的調諧。這里的外部諧振腔通常包括衍射光柵［1］、集成化波導諧振結構［2］等。單片集成諧振腔結構類型主要包括分布反饋結構［3］、分布布拉格反射結構［4］、V型腔結構［5］、多通道干涉結構［6］、集成微電子機械系統［7］等。

（1）分立外腔結構可調諧半導體激光器。

最早期的可調諧半導體激光器就是通過分立外腔結構實現的，即通過透鏡光學耦合結合衍射光柵來進行波長選擇，并通過改變光柵的衍射角度來選擇不同的激射波長［1］。如圖1（a）所示，在半導體增益結構的一個解理面上鍍上抗反射膜，將一個固定的反射型衍射光柵作為色散元件，通過壓電陶瓷控制鏡面圍繞一個虛支點旋轉，使不同波長的1級衍射光在激光光源和外腔鏡之間形成振蕩，同時使0級衍射光為輸出光。外腔鏡在改變位置的同時仍能滿足相應波長的相位匹配條件，并使其形成諧振輸出，從而實現波長的連續調諧。

隨著近年來微加工工藝水平的快速提高，以及硅基、氮化硅基、聚合物基等集成化波導體系的迅速發展，研究者們提出了基于這些材料體系的可調諧振腔結構。通過將這些諧振腔結構與半導體光放大器芯片的耦合，可以實現波長可調諧激光器。如圖1（b）所示，首先，在半導體光放大器芯片的一個解理面上鍍了抗反射膜，同時兩個不同半徑的微環波導被耦合在一起，并與半導體放大器芯片進行耦合。然后，在這兩個微環波導上分別集成一個薄膜電阻加熱器［2］，通過改變兩個薄膜電阻加熱器的電流，即可實現兩個微環波導透射譜的偏移。由于這兩個微環波導的透射譜具有不同的平均自由程，因此通過透射峰的錯位就可以實現寬帶的波長調諧范圍。該結構在硅、氧化硅、氮化硅或聚合物波導上都可以實現，其調諧范圍主要受限于半導體材料的增益譜寬。

由于聚合物具有較大的熱光系數或電光系數，改變溫度或電壓可以對其折射率進行很大的改變，因此在聚合物波導中也可以直接使用布拉格光柵作為外腔來實現寬帶可調。如圖1（c）所示，通過對?10～70 ℃聚合物溫度的調節可以實現25 nm的波長調諧范圍［8］。

（2）諧振腔單片集成可調諧激光器。

分布反饋結構（DFB）是指其布拉格光柵諧振腔正好與增益材料在位置上重合?；贒FB結構可以實現良好的單波長激光激射。雖然該激光具有高邊模抑制比、高輸出功率、良好的直接調制效果等，并已成為目前光通信網絡中最常用的光源，但是DFB結構諧振腔難以實現大范圍可調諧功能。為實現基于DFB結構的寬波段可調諧激光器，一種常用方法是集成多波長DFB激光器陣列，即先通過選擇陣列中對應波長的激光光源并使其發生激射，再配合上溫度調諧裝置，最終得到想要的光輸出。如圖2（a）所示，通過集成12個不同波長的DFB激光器和1個多模干涉合波結構，結合溫度調諧的功能可以實現40 nm的波長調諧范圍［3］。

▲圖1 3種外部諧振腔結構

▲圖2 幾種單片集成諧振腔結構類型

分布布拉格反射（DBR）結構，是指在激光器有源區的外部集成無源的布拉格光柵反射器，通過改變該光柵結構處的電流調節其布拉格波長，從而改變激光器的輸出波長，如圖2（b）所示。為獲取更良好的單縱模工作特性，通常會在波導中設立一個相位調節區［4］，但僅通過改變無源光柵波長的調諧范圍比較有限（通常都小于10 nm）。為增加調諧范圍，很多研究者會利用取樣光柵結構的寬帶梳狀譜，即通過改變兩個不同周期梳狀譜的對齊位置，來實現寬波段的波長可調。圖 2（c）中［9］是最早提出的基于取樣光柵的DBR結構（SG-DBR），之后通過改變光柵的精細結構或波導的耦合方式，衍生出了多種類似結構，包括圖2（d）所示的Y分支波導SG-DBR［10］、圖 2（e）所 示 的 DSDBR［11］和圖 2（f）所示的 SSG-DBR 結構［12］，這幾類結構都可以實現大于35 nm的寬波段調諧范圍。

除了基于光柵結構的諧振腔結構，也有研究人員提出基于其他結構的諧振腔。例如，一種基于多通道干涉器的諧振腔結構［6］，通過改變不同反射臂的相位差實現波長的選擇和大于50 nm的準連續波長調諧。此外，還有一種V型諧振腔結構［5］被提出，其原理為構建兩個不同自由程的法布里-珀羅諧振腔產生的梳狀譜，即通過調節相位來選擇重合的波長進行激射。該諧振腔結構可以實現40 nm的調諧范圍。另外，隨著近年來微電子機械系統的成熟發展，在垂直面反射半導體激光器中引入壓電材料，通過對外部反射鏡的微機械調節，同樣可以實現寬帶的波長調諧［7］。

2 重構-等效啁啾技術（REC）技術

REC技術最早是在光纖光柵的相關研究中被提出，并從2007年開始被用于半導體激光器的制備中。相較主流的加工技術而言，REC技術是一種全新的加工技術［13-14］。在通信半導體激光器中，精度最高、加工難度最大的部分是波導光柵（其最小尺寸達到0.1μm），而激光器的波長等主要性能都是由光柵直接決定的。目前主流的加工技術有兩種：一種是電子束曝光，即利用聚焦的電子束進行掃描式的曝光形成圖案，如圖3（a）所示，該技術的優點在于技術靈活、可制作任意復雜圖形，缺點在于設備成本高、制備時間長、周期很難控制；另一種是全息曝光，即利用兩束光的干涉形成的均勻明暗條紋，從而曝光形成光柵，如圖3（b）所示，其優點在于設備便宜、制備時間短、光柵的均勻性非常好，缺點在于結構單一、只能制作均勻光柵、無法滿足高端器件的要求。REC技術是基于全息曝光后再加一次普通光刻，能等效實現復雜光柵結構，如圖3（c）所示，在具有電子束曝光技術的技術靈活性的同時，還擁有全息曝光方法低成本、制備快和光柵均勻性好的優點。例如，基于REC技術可以實現等效的λ/4相移光柵。具有該光柵的DFB激光器有優異的動態單模特性，能很好地滿足可調諧激光器在工作過程中保持單模的需求。

REC技術是基于取樣光柵結構實現的。取樣光柵折射率形貌Δns（z）在數學上可以描述為公式（1）：

其中，s(z)表示取樣結構，Λ0表示種子光柵的周期，z是光柵的軸向坐標，j是虛數單位，c.c表示共軛，Δn是種子光柵的折射率調制幅度。將均勻取樣結構展開為傅里葉級數，如公式（2）所示：

其中，m是傅里葉級次，Fm是第m級的傅里葉系數。取樣光柵可以進一步表述為：

從公式（3）可以看出，取樣光柵是很多級次的傅里葉子光柵的線性疊加。每個級次的子光柵都有特定的光柵周期、初相位以及光柵強度。

▲圖3 3種光柵制備技術

如果取樣光柵的初相位發生變化，即Δz發生變化，那么公式（3）可以表示為：

以-1級子光柵為例，-1級子光柵DFB激光器的波長可表示為：

而-1級子光柵的波長誤差與制造工藝中取樣光柵的誤差關系為：

在通常情況下，由于取樣光柵周期P為微米量級，種子光柵周期Λ0為幾百納米，因此利用REC技術，DFB激光器的波長精度可以比傳統工藝提高約兩個數量級［15］。在實際應用中，除了具有加工簡單、快速等特點外，REC技術最大的優勢在于能夠實現對光柵結構的精準控制。λ/4相移結構在REC技術中的尺度為3 μm左右，而在常規結構中只有100 nm的尺度?；赗EC技術高精度的波長控制能力，我們制備了目前報道數最多的60波長激光器陣列，并得到非常均勻的波長分布特性，83%的波長偏長在±0.2 nm范圍內［16］。也正是基于高精度的波長控制能力，我們將REC技術應用于可調諧半導體激光器中，使其在寬波段、窄線寬、快速切換可調諧激光器方面具有特定的性能優勢。

3 基于REC技術的寬波段可調諧激光器

與文獻［3］類似，基于REC技術的寬波段可調諧激光器也是通過集成多波長DFB激光器陣列的方式來實現。與之不同的是，基于REC技術的多波長激光器陣列具有高精度波長控制的優勢，因而可以實現更低的激光器陣列波長間隔，從而大幅降低溫度調諧范圍，提高激光器整體的良品率。與文獻［3］中的并聯結構相比，DFB激光器的并聯結構由于不同的激光器光柵之間沒有相互干擾，可以得到更優的單模特性。然而，并聯結構的合波器會帶來較大的損耗，并且該損耗會隨著激光器數目的增加而增加。雖然DFB激光器的串聯結構可以減少合波器的使用，但是串聯結構對光柵周期精度提出了更高的要求。尤其是在相鄰激光器波長間隔小的情況下，如果光柵周期的誤差過大，則會引起激光器之間較大的串擾。正是因為REC技術具有很高的光柵周期精度控制，我們目前研究的基于REC技術的寬波段可調諧激光器會使用到串聯結構。該結構主要包括串聯和串并聯兩種類型。

▲圖4 2×4串并聯可調諧激光器的結構及性能

如圖4（a）所示，我們實現了一個串并聯結構的可調諧激光器，其中有2根平行的波導通過1個Y分支合波器進行合波，每根波導上集成了4個不同波長的DFB激光器，一共集成了8個均勻波長間隔的DFB激光器［17］。激光器芯片采用傳統的兩步金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）工藝制作，使用脊波導結構，在兩端鍍抗反射膜。其中，相鄰2個波長的激光器被分別設計在2根不同波導上，這樣可以有效降低光柵串擾。如圖4（b）所示，通過選擇激射的激光器進行大致調諧，改變芯片溫度進行精細調諧，可以實現32通道100 GHz間隔的調諧范圍。其中，每個激光器負責4個通道，整體的波長調諧溫度范圍為45℃，邊模抑制比均大于40 dB。同樣地，基于REC技術對波長的高精度控制，我們還實現了激光器芯片的串聯結構［18］，如圖5所示。我們得到了32通道50 GHz間隔的波長調諧范圍，并使該結構保持了良好的單模特性，不同波長的邊模抑制比均大于40 dB。

4 基于REC技術的窄線寬可調諧激光器陣列

窄線寬可調諧激光器被廣泛應用在相干光通信、水聽器、雷達等領域。根據半導體激光器線寬理論的研究報道，半導體激光器線寬的表達式如公式（8）所示。其中，vg是材料中光的群速度，h是普朗克常量，v是光頻率，g是閾值增益，nsp是自發輻射因子，αm是諧振腔損耗，P0是光功率，α是線寬展寬因子?？梢钥闯?，決定半導體激光器線寬的因素主要在兩個方面：一是構成激光器的材料特性，因為材料特性直接影響激光器的閾值增益g和線寬展寬因子α；二是因為激光器的結構特征，激光器的結構特征會影響諧振腔損耗αm、閾值增益g等。

對于DFB激光器而言，其諧振腔損耗滿足公式（9）?？梢钥闯?，提高DFB激光器光柵強度，增大DFB激光器的腔長，能夠降低DFB激光器的腔內損耗，從而降低DFB激光器的線寬。但是提高κ和L又會加劇激光器的空間燒孔效應，并降低DFB激光器在大電流注入時的單模特性，使激光器線寬展寬。因此，需要對DFB激光器的光柵結構進行優化以獲得窄線寬輸出。傳統可調諧窄線寬DFB激光器芯片的腔長一般較長，且波導光柵均為具有特殊相移結構的光柵，其制作過程復雜、制造成本較高?；赗EC技術正好可以利用低成本的加工方法實現復雜、高精度的光柵結構，十分適合制備可調諧窄線寬激光器芯片。

我們基于REC技術設計了4通道窄線寬DFB激光器陣列［19］，并通過改變溫度實現了波長調諧。圖6（a）是4通道DFB激光器陣列芯片結構示意圖，其中，芯片腔長為 1 200 μm，4個DFB激光器波長間隔3.2 nm。DFB激光器芯片的光柵是利用REC技術設計的等效內切趾光柵結構，如圖6（b）所示。該光柵結構能夠有效降低激光器腔內空間燒孔效應，利于激光器線寬的壓窄。且該區域位于芯片中間，切趾區域長度為600 μm。等效切趾采用的是改變采樣光柵占空比的方式實現的，其占空比的類型為線性，切趾區域兩端占空比最大為0.5，切趾區域中心占空比最小為0.3。

▲圖5 串聯結構可調諧激光器結構及其性能

▲圖6 4通道窄線寬分布反饋結構激光器陣列結構及其性能

圖6（c）和（d）分別展示了在激光器注入電流為100 mA時，通過溫度調諧測得的激光器輸出光譜以及不同波長下激光器邊模抑制比。通過將激光器的工作溫度從10℃調諧到40℃，可得到32通道間隔50 GHz的波長可調諧輸出，其波長調諧范圍是1 538.58～1 550.92 nm。在調諧過程中激光器的邊模抑制比均大于42dB，保持了較好的單模特性。通過自外差法，我們測得激光器在調諧過程中不同溫度下的線寬，具體如圖6（e）所示。由測試結果可以看出，低溫下激光器線寬更窄。在芯片溫度由10℃升高到40℃的過程中，激光器線寬由160 kHz升高到307 kHz，同時保持了窄線寬輸出。

5 基于REC技術的快速可調諧激光器

不斷增長的數據通信迫切需要大型、低時延交換節點來提供高速、大容量、有效的數據交換功能。光交換技術是打破信息交換瓶頸的關鍵技術。光交換技術有多種方案能夠實現，其中一種是基于快速可調諧激光器利用源端波長切換實現的光信息交換［20］。基于可調諧激光光源和陣列波導光柵路由器組合的方案，可以形成靈活、大容量的光交換能力。這不僅能夠提供大端口數，還可以實現低阻塞和低時延的快速路由；但該方案最大的難題在于很難實現低成本的穩定、快速可調諧激光光源。

要實現半導體激光器的波長調諧，一般采用改變溫度或無源區電流的方式，但是這兩種方案都存在激光器調諧穩定時間較長的問題。目前最快的調諧方式是對激光器陣列進行開關切換，以實現固定多波長通道之間的快速切換。由于激光器點亮的時間在納秒量級，因此波長調諧的方式也可以達到納秒量級。雖然這種調諧方式速度快，但對于激光器波長的精準性要求卻很高；因此，在設計每個DFB激光器的光柵結構時，可采用能夠實現波長間隔精準控制的REC集成激光器陣列技術。激光器芯片的設計思路是設計多波長串并聯的DFB半導體激光器芯片。如圖7（a）所示，該激光光源將m×n個DFB激光器單片集成在一個芯片上，并通過可編程邏輯控制器（PLC）合束器耦合在同一根光纖內輸出。激光器的個數即為光源輸出通道數，決定了光源的波長調諧范圍?；诖⒙揇FB激光器陣列芯片，我們開發了8通道快速可調諧激光器模塊。8通道激光器光譜如圖7（b）所示。由測試結果可以看出，各通道具有較好的單模特性。

▲圖7 快速可調諧激光器結構及其性能

對于快速可調諧激光器，驅動控制電路是其關鍵部分。驅動控制電路的作用包括溫度控制、激光器工作電流驅動、波長切換、工作參數通信控制?；赗EC技術激光器陣列的快速可調諧激光光源系統及電路實現結構如圖7（c）所示。其中，微控制單元（MCU）控制模塊提供人機交互接口，或與其他系統互連的控制接口。通過這些接口，MCU模塊負責傳遞各路激光器的波長切換控制、激光工作電流及工作溫度等參數，并對信息進行識別和格式變換，將其轉換成波長切換模塊、驅動電流模塊及熱電控制器（TEC）模塊所需的數字及模擬控制信號。波長切換控制模塊是以現場可編程門陣列（FPGA）為核心實現的。由于快速可調諧激光器波長調諧/切換時間一般在微秒量級甚至是數十納秒量級，因此波長切換的控制信號須提供比調諧時間更快的上升/下降沿，而且要保持多路控制信號的嚴格同步。圖7（d）是不同通道間波長切換時間測量結果，可以看出，激光器波長調諧時間為4 μs左右。

6 結束語

總體來看，可調諧半導體激光器由于體積小、適合大規模生產和易于集成等優點，有望被大量應用于包括光通信、光傳感和光計算等諸多領域。目前也有許多其他不同實現方法，比如外腔激光光源、DFB激光光源、DBR激光光源以及垂直腔面發射激光器（VCSEL）等。不同實現方案具有各自的優缺點，可以分別適用于不同的場合。基于自主發明的REC技術，我們以一種低成本的加工方案實現了精準的布拉格光柵制作?；谠摼珳实墓鈻?，可以實現面向相控陣雷達和相干光通信的窄線寬可調諧激光器、面向光交換激光器雷達的快速可調諧激光器和面向5G前傳波分復用無源光網絡（WDM-PON）的寬波段可調諧激光器。