可调谐DFB阵列激光器的制备与测试

孔　轩，林沂杰，梁　晶

(中国船舶重工集团公司第723研究所,扬州 225001)



可调谐DFB阵列激光器的制备与测试

孔轩，林沂杰，梁晶

(中国船舶重工集团公司第723研究所,扬州 225001)

摘要：针对一种新型重构-等效啁啾技术的分布反馈式(DFB)激光器阵列芯片封装的特点，研制并测试输出波长范围为1 310～1 319 nm的可调谐激光器，以1 310 nm窗口波段光通信为研究对象，使用PC机和微处理器(MCU)通信实现激光器阵列波长调谐。研究结果表明，该系统可应用于1 310 nm波段的密集波分复用(DWDM)系统并且能够保持50 GHz间隔0.01 nm的波长精度。

关键词：分布反馈式激光器；重构-等效啁啾技术；波长

0引言

光纤通信由于其宽带宽、速率高等优势成为实现信息物联化与智能化的最佳通信方案。而在光纤技术发展已经相当成熟的情况下，光纤通信传输的末端，也就是接入网阶段让普通用户享受到真正宽带服务的光纤到户(FTTH)成为了未来光纤通信的一大研究热点。FTTH作为宽带发展的新一代接入网技术，是基于波分复用无源光网络(WDM-PON)系统实现的，而WDM-PON系统中最大的特点在于发掘了光波波长这一潜在优势，使得系统的传输网络能够满足带宽急剧增长的需求。

WDM-PON系统在当前发展过程中的主要问题集中在光纤线路终端(OLT)与光网络单元(ONU)的光信号发射端，系统设计所需要的光源必须是特定的、多波长激光器，而且要在提供足够高的功率与可调的波长条件下考虑生产实用化的低成本。目前，国外主要通过电子束曝光与单片集成技术实现多波长激光器的制备[1]，这种方法虽然理论上可以达到符合ITU-T标准的多波长可调要求，然而实际情况是通过电子束扫描与纳米压印法等复杂工艺，成本高昂，可重复性低，而且做出来的激光器波长精准度差，另需要提供特定的温度与电流[2]才能正常工作，当前仍不适于大规模低成本的商业生产[3]。

可调谐激光器主要分为分布反馈(DFB)、分布式布拉格反射镜(DBR)或外腔半导体激光器(ECDL)。外腔半导体激光器通常使用微机电系统(MEMS)技术实现波长调谐，能够覆盖C波段且边模抑制比大于40 dB,但是此方法受体积和组装的复杂性所限。分布式布拉格反射镜激光器由有源区、相位区和布拉格区构成，波长调谐的原理是通过改变注入电流来修改折射率从而改变中心波长。虽然它可以实现大的波长的调谐范围以及精确的波长调谐，但是它存在多电极阵列之间模式跳变的不稳定和通道间波长无缝连接的算法复杂问题[4]。由于出色的单横模和可靠性，分布反馈激光器成为光纤通信的主流光源。然而，单个DFB激光器通过热调谐仅有不到5 nm的波长可调谐范围，解决方案一般是使用多DFB激光器阵列来扩大波长范围。

本文使用4个波段的DFB激光器阵列实现，波长可调谐范围从1 310 nm到1 319 nm，同时结果表明由于其成熟的工艺、良好的稳定性以及低廉的成本，DFB激光器阵列有可能成为光接入网络中WDM-PON可调谐激光光源的最佳解决方案。

1重构-等效啁啾(RFC)技术

最新研究的重构-等效啁啾技术提供了一种全新的制造DFB激光器阵列的方法。重构-等效啁啾是在已有成熟的集成工艺条件下，基于采样布拉格光栅(SBG)实现的一种新的功能微结构[5]。实际上，SBG可以看作许多短的光纤布拉格光栅(FBG)的级联形式，REC亦可看作FBG的一种级联反射模型，而2个相邻反射面反射光的相位差为：

(1)

式中：Λ为光栅周期；β=2ηeffπ/λ，λ为入射光波波长，ηeff为介质有效折射率。

而当各路反射光相位差为2mπ(m为整数)时，总反射极大满足Bragg条件：

(2)

这种满足复杂信号反射条件的FBG结构设计平台必须是纳米量级的工艺制作水平，不适于实用量化。REC就在此基础上提出了等效相移(EPS)，并借用SBG采样函数来获得等效啁啾， 相对于FBG的亚微米量级，SBG的采样周期为毫米量级，其突出意义在于传统方法上130 nm以下(即激光器 DFB 光栅周期的一半 )的微纳结构可通过采用放大1.5 μm以上的微结构功能尺度去实现。实际工艺操作也只是在传统全息曝光产生均匀光栅基础上进行二次曝光产生取样图形，这就实现了在原有工艺基础上做出nm量级的微结构，从而极大地解放了设备的成本压力。λ/4等效相移EPS基于REC技术制作出的八通道阵列激光器分布均匀，波形良好，符合ITU-T的WDM波长通道间隔标准[6]，本文使用的模块光束质量如图1 所示。

图1　四波段DFB激光器位于1 310 nm的光谱图

图1是偏置电流为30 mA， 四通道阵列DFB激光器阵列在1 310 nm波段出射光谱图。从图中可以看出，各波形边模抑制比(SMSR)为40 dBm以上，输出功率大于-10 dBm，各中心波长分别为1 311.98 nm、1314.06 nm、1316.11 nm和1 317.86 nm[7]。

2激光器实现

本文DFB激光器阵列的波长调谐是通过温度调谐以及对各通道开关配合实现的。具体而言，调谐过程分为2个步骤：(1)开关选通，即根据PC端所需的波长在4个通道中选出合适的中心波长单个激光芯片；(2)温度调谐，即通过控制制冷器(TEC)来改变温度，调整此时工作的激光器谐振腔，进而得到想要的精确波长。最终输出总体波长调谐是通过4个波段的配合完成，其调谐范围从1 310到1 319 nm，调谐温度范围从10.3 ℃到38.2 ℃，各通道可调谐范围约2 nm。控制系统方面，PC发送指令给微处理器(MCU)来控制硬件提供合适的偏置电流和温度。结构示意图如图2所示。

上位机PC的控制软件由Labview制作，手动输入波长信息命令下位机MCU进行相应的操作，其通讯接口为RS-232串行端口，并且设计了一套通讯协议的波段用于命令传输。MCU收到从PC发出的指令后，选择合适的通道与电流，同时MCU还控制热电冷却器来保持激光器阵列(LDA)在适当的温度下工作，以发射需要的波长信息。图3给出了软件界面。

图2　可调谐激光器系统的结构示意图

图3　软件界面的前后面板

图4　左图给出了老化前后实验对比的差异，右图为放大的差异图

图5　左图给出了最终结果和理想结果间的差异，右图为放大的差异图

按照实验要求对该系统做了72 h的高温(65～75 ℃)老化试验。老化试验和跟踪试验表明系统的可靠性优良，最大波长偏差小于12 pm。由于温度控制方法比较成熟，所以系统很容易得到精准的出射波长。此外，由于各通道中心波长分布均匀，各通道分摊的调谐波长合适，具有良好的稳定性，实现过程未出现模式跳变的不稳定问题。老化实验后，测试结果符合国际电信联盟(ITU-T)在50 GHz间隔通信标准，波长偏差低于15 pm。以上所有数据的采样均在间隔为50 GHz、电流为40 mA的条件下进行。老化实验前后结果对比差异以及最终结果如图4、图5所示。相比DBR和ECDL，可调谐DFB激光器阵列的缺点在于调谐时间较长(约30 s)。然而，DFB激光器阵列由于其精度高、波长调谐准确性高、成本低等优点，在未来大批量工业使用中拥有巨大的潜力。光网络中，特别是接入网中的光网络单元，可调谐DFB激光器阵列满足低成本大量生产、相同时间内低调谐速度需求。因此，这种方式在未来光纤到户应用上低成本的要求中具有极大的实用价值。

3结束语

本文提出了一种新型DFB可调谐激光系统，系统中激光器阵列具有均匀波长间隔，最终实现了1 310～1319 nm波长可调范围。调谐波长的最大偏差限制在15 pm且无模式跳变问题。随着激光阵列通道的增加，能够获得更宽的波长可调范围，延伸至C波段和 L波段。此外还可以利用半导体光放大器(SOA)来提高输出功率。对于连接网络中的WDM-PON，通过这种方法能够实现低成本和高可靠性。

参考文献

[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

中图分类号：TN929.11

文献标识码：A

文章编号：CN32-1413(2016)02-0058-04

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.015