格拉斯哥大学侯廉平副教授报告了一种用于密集波分复用（DWDM）系统的单片集成多波长半导体激光源的低成本制作方法。该方法可提高集成芯片的成品率，只需一次外延生长 和一次电子束曝光（EBL），不需要传统的对接生长（butt-joint）和选择区域生长（SAG）等二次刻蚀和外延的复杂工艺。该光源的四个分布式反馈（DFB）激光器阵列采用侧面耦合取样布拉格光栅（C-SBG）和重构-等效啁啾（REC）技术，每个激光器后面集成具有同一有源区（IEL）的电吸收调制器（EAM) ，然后通过升余弦S形弯曲波导 (Raised cosine S-bend，相对普通的S 波导, 它避免了曲率半径的不连续性, 最大程度地减小模式失配损耗) 和耦合器 (4×1 MMI)，半导体光放大器（SOA）集成。SOA不但可以可以弥补4×1 MMI 固有的6-dB 损耗，而且当切换信道波长时，SOA还可以用于关闭输出。对于升余弦S形弯曲波导和4×1 MMI 等无源波导，则通过其自主开发的基于全外延结构的溅射SiO2量子阱混杂（QWI）集成技术得到。该QWI技术操作简单，使用灵活，而且成本很低。该单片集成DWDM发射源的波长间隔为0.8 nm（100 GHz）, 残留误差<0.13 nm, 所有通道的边模抑制比（SMSR）值均大于33 dB。SOA确保每个的信道的输出功率大于10 mW，使得该DWDM光源很适合在无源光网络（PON）中使用。侯廉平副教授研究小组还研究了使用多段相移采样布拉格光栅（PS-SBG) 来增加光栅有效耦合系数κ并精确控制各信道DFB激光器的发射波长间隔。他们采用两段π相移的采样布拉格光栅（2PS-SBG）制作了具有100 GHz信道间隔的8通道DFB激光器阵列，所有通道的SMSR值均大于35 dB。

为了降低光子集成器件的成本同时提高集成器件的成品率, 我们必须开发新的制作工艺和技术，特别是在接入网中，我们必须以低成本来支撑不断增长的数据传输速率。例如，下一代PON的标准将会采用密集波分复用（DWDM）技术，支持40 Gb/s或更高的数据传输速率, 并要求信道发射功率>10 dBm。单片集成激光器阵列因其高效能，小尺寸和高可靠性而被认为是在DWDM系统中最有前途的方法。多波长DFB激光器阵列不需要动态波长调谐，因此可以在WDM通道之间快速切换，并且每个激光器都以稳定的单纵模（SLM）运行。但是，在此类应用中，波长必须与国际电信联盟（ITU）的网格对齐, 相邻信道之间的间隔为100 GHz（0.8 nm @1550 nm）。我们可以通过制造DFB激光器阵列来实现，其中激光器激射波长间隔为100 GHz，使用精确的温度和电流调节可将整个阵列的波长和DWDM 规定的波长网格对齐。

众所周知，每个DFB激光器的光栅周期Λ 通过布拉格公式λB= 2×neff×Λ与布拉格波长λB相联系，其中neff是模式有效折射率。假设neff = 3.2，要获得0.8 nm波长间隔，激光器光栅周期差ΔΛ必须小至0.125 nm，这大大超出了 EBL的最小分辨率（0.5 nm）。因此，需要我们开发出一种超出EBL分辨率，减少DFB 激光器激射波长间隔的方法。日本科学家开发了一种使用加权剂量分配可变光栅周期的EBL技术，但是该技术难以实现且不适合大批量生产。第二个挑战是确保每个激光器都单纵模运行，这可以通过简化整个光子集成器件的制备过程来实现。侯廉平副教授课题组使用低成本的制作方法，基于和光波导一次形成的侧壁C-SBG和REC技术, 以提高SLM成品率；采用IEL集成结构用于EAM；基于全外延结构的溅射SiO2 QWI 技术以减少无源波导中的传输损耗。与掩埋光栅，butt-joint和SAG集成技术相比，他们的光子集成技术不需要在不同集成器件之间进行蚀刻和再生长，因此也可以用于AlGaInAs/InP光子集成器件的制作，避免了在蚀刻界面处Al的氧化，从而提高器件的可靠性。

其DWDM集成芯片的器件结构和尺寸见图1。DFB激光器采用侧壁耦合C-SBG结构。所有激光器使用相同的种子光栅周期Λ，并且各个激光器的工作波长由其采样周期Z0决定。在每个DFB激光器谐振腔的中心位置放置一个等效四分之一波长的相移（EPS），EPS可显著提高单纵模的成品率。QWI 让无源波导 (Raised cosine S-bend, 4×1MMI) 的带隙波长蓝移100 nm，从而降低波导传输损耗。在TE 1550 nm 波长下，其波导损耗可以降到4/cm。

图1.（a）DWDM激光源光学显微图, （b）具有等效相移的侧壁采样布拉格光栅的示意图和相关尺寸, （c）侧壁采样光栅的SEM图，以及（d） 4×1 MMI耦合器的输入部分。

C-SBG功率反射谱的计算结果 如图2所示, 其中激光器波导内部损耗 15/cm 也已经考虑在内。0级种子光栅波长位于1480 nm。激光器的激射波长由+1级反射峰决定, 位于1556.54和1554.14 nm之间, 间距为0.8 nm。-1阶波长在1410 nm左右，和0级光栅波长一样，它们的模式增益很低，激光器难以在此波长范围激射。

其报道的 DFB激光波长可以通过改变驱动电流来调谐。其电流调谐系数为0.013 nm/mA。当电流保持恒定时, 在-5至+70°C的范围内, 其温度调谐系数约为0.1 nm / K。每个DFB激光器的电流调谐范围约为2.3 nm, DFB1和DFB4之间的最大波长差为4.61 nm。在电流调谐期间, 没有发生模式跳变。

在IDFB = 300 mA（=3×Ith），ISOA= 150 mA和VEAM = 0 V的运行条件下, 室温下从SOA侧测得的 四个DFB激光器的激光波长分别为1558，1557.27，1556.62，1555.64 nm，波长间隔约为0.8 nm，与图2所示的模拟的结果非常接近，所有DFB 激光器SMSR值均大于33 dB。各个DFB激射波长通过线性拟合得到的残差从-0.084到0.13 nm不等；小幅度残差归因于EBL提供的对采样光栅周期Z0和光栅间距 Λ 的精确控制。可以通过在每个通道中使用单独的电加热器稍微改变温度（<1.5°C）或通过微调驱动电流（<10 mA）来消除残差。

图2. C-SBG DFB 阵列四个通道的模拟功率反射谱。

使用C-SBG时, 有效光栅耦合系数κ会大大降低。假设采样周期占空比为50％，κ值减小到均匀光栅 κ值的0.32(1/π)倍，因为50%采样周期没有光栅。因此他们还展示了多段相移采样布拉格光栅（PS-SBG）结构，可增加有效κ值。多段PS-SBG和C-SBG的光谱反射特性和有效κ值文中也进行了总结。其中2PS-SBG，其有效光栅耦合系数相对C-SBG 提高了一倍，是均匀光栅κ值的0.64 (2/π) 倍；4PS-SBG 的有效光栅耦合系数κ可以达到连续光栅的0.90 倍，这样可以大大地减少激光器的腔长，提高DFB激光器的调制速率。所以多段PS-SBG 结构将来还可以用于制作直接调制DFB 激光器（DML）。

作者使用2PS-SBG方案，将0阶侧壁光栅周期设置为250 nm，采样周期为7.979 μm至9.206 μm，制造了八通道DFB激光阵列，其通道间距为0.837 nm，残差为0.059 nm，所有通道的SMSR值均大于35 dB。

总之，侯廉平副教授研究小组通过结合C-SBG，REC，IEL和QWI技术演示了适用于PON的4通道DWDM发射源。该器件的每个通道的输出功率> 10 dBm，通道间隔为0.8 nm（100 GHz），SMSR>33 dB。该方法的优点是不需要二次外延和多次的再刻蚀过程，可以对各个激光波长进行精确控制，提供较高的单纵模成品率和较低的制造成本。使用C-SBG结构时，κ值减小到均匀光栅的κ值的0.32倍（假设采样周期占空比为50％），但是通过使用多段PS-SBG设计，在保持精确度的同时还可以增加κ值，不但可以精确控制DFB激光器阵列的波长间隔，而且可以减少激光器的腔长。基于2PS-SBG 结构，使用一次外延生长和一次电子束曝光制造了8通道DFB激光器阵列，通道间距0.837 nm，残差值0.059 nm，SMSR>35 dB。

Monolithic DWDM source with precise channel spacing

Lianping Hou, Song Tang, John H. Marsh

J. Semicond. 2021, 42(4): 042301

doi: 10.1088/1674-4926/42/4/042301

Full Text: http://www.jos.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-4926/42/4/042301?pageType=en