自上世紀60-70年代發展起來的半導體激光器和光纖技術促成了通信革命，使人類迅速從工業社會進入信息社會。業界先后采用了0.85 μm、1.3 μm 及1.5 μm 三個波段的半導體激光器作為通信光源。其中0.85 μm波段激光器采用三元AlGaAs/GaAs材料體系，1.3 μm 及1.5 μm波段激光器采用四元的InGaAsP/InP 或AlGaInAs/InP 材料體系。

　　在半導體激光器家族中，半導體分布反饋(DFB)激光器因其優異的光譜特性與調制特性，已經成為通信系統中最為重要、使用最為廣泛的光源之一。DFB激光器的概念和理論最早由美國貝爾實驗室的H. Kogelnik 和C. V. Shank于1971-1972年間提出，最早的半導體DFB激光器出現在1973年。經過近50年的發展，DFB激光器已被廣泛應用于光通信、傳感、測繪等領域。

　　DFB激光器是一種具有波長選擇性的器件，依靠內置光柵結構實現單模激射，其基本結構如圖 1所示。

　　圖 1 DFB激光器。 (a)基本結構; (b)均勻光柵結構; (c)相移光柵結構

　　在光纖通信領域，憑借其的單模工作特性，DFB激光器已經成為波分復用(WDM)系統的重要光源。隨著技術和需求的發展，近年來DFB激光器的應用領域也越來越多樣化，典型應用場景包括：

　　1)高速直接調制應用：主要用于5G、數據中心和接入網等需要低成本光模塊海量部署的場景;

　　2)高功率應用：主要用于硅基光子學、人眼安全激光雷達場景;

　　3)低噪聲應用：包括窄線寬和低RIN應用。主要用于超高速、低成本相干通信系統、激光雷達以及微波光子學領域。

　　半導體DFB激光器進展

　　高速直接調制DFB激光器（DML）

　　半導體激光器的優點之一就是可以直接將電信號轉換為光信號，也即具有直接調制特性。這是一種簡單、最直接的光信號產生方式。DML的優勢在于低成本、低功耗、體積小、可批量生產，這對于短距離、低成本應用極為重要。在調制速率10 Gbps以上，且覆蓋范圍超過2 km的場合中，基本都采用了單縱模的DML。近年來，在5G和數據中心的迫切需求下，DML已經成為不可替代的光源。

　　在中短距光傳輸應用中的DML通常工作在1.3 μm波段，用以抑制光信號在光纖中傳輸的色散問題。目前，利用1.3 μm波段DML已經可以實現25 Gbaud，10 km以上光纖傳輸。

　　DML常見優化措施包括阻抗、結構和材料優化。阻抗優化手段相對比較簡單，主要通過優化摻雜濃度、電極結構以及選取小介電常數的電極墊襯材料來實現。結構和材料層面的優化手段主要從提高光限制因子、提高微分增益、降低有源區體積等幾方面考慮。典型手段包括量子阱優化、材料體系優化、光柵及分別限制層優化、有源區體積優化、集成無源結構、光光諧振效應等。

　　現有報道中DML最高調制帶寬已達55 GHz[1]?？傮w來看，為滿足400G以太網標準，常溫下DML的帶寬至少需要達到20 GHz以上才能滿足單信道寬溫50 Gb/s (25-Gbaud PAM-4)需求。而單信道100 Gb/s (50-Gbaud PAM-4)則至少需要30 GHz以上的帶寬。從實用化角度，DML的設計制作和生產依然面臨巨大的挑戰。

　　圖2 55-GHz DML。 (a)小信號響應曲線;(b)112Gb/s PAM-4調制眼圖[1]

　　大功率DFB激光器

　　傳統上，光通信對DFB激光器的功率需求并不高，一般不超過20 mW。但隨著光通信技術從光纖發展到自由空間，空間光通信系統也開始采用單橫模、單縱模的DFB激光器。由于大氣中不存在波導效應，對光束沒有限制能力，同時受氣象條件帶來的各種損耗和畸變影響，發射端需要提高發射光功率來滿足探測功率需求。通常，百mW乃至瓦級光功率輸出才能為這類應用提供足夠的功率預算。

　　大功率DFB激光器面臨的主要問題是大電流注入下的發光效率和模式穩定性問題。具體包括大注入條件下有源區對載流子的限制問題、內部損耗控制問題、縱向空間燒孔抑制問題、側模控制問題等。從設計角度，主要考慮在保持較高的斜率效率的情況下，提高最大工作電流，同時維持單模工作狀態。主要優化手段包括量子阱優化、腔長優化、分別限制層及蓋層優化、模式控制等。

　　結合多種優化手段，目前國際上通信波段大功率DFB的功率水平已經可以達到600 mW以上室溫連續輸出[2]。

　　圖3 600-mW 大功率DFB激光器。 (a) 功率-電流曲線; (b) 光譜[2]

　　低噪聲DFB激光器

　　噪聲是影響激光器性能的重要因素，會引起激光線寬展寬、幅度抖動等問題。自發輻射、載流子濃度變化、外部光反饋、溫度變化等都會引起半導體激光器噪聲特性的變化。低噪聲DFB激光器主要包括了窄線寬激光器和低相對強度噪聲(RIN)激光器兩大類。

　　窄線寬激光器被廣泛用于相干光通信領域，可以為高階調制格式提供相位穩定的光載波。隨著調制格式的階次提升，系統需要激光線寬低于百kHz甚至幾十kHz量級。在激光雷達技術中，線寬往往也需要達到百kHz以下。低RIN激光器主要用于信號模擬，從早期的有線電視到新興的微波光子學均對光載波的RIN值有很高要求，一般需要優于?150 dB/Hz水平。 而通信中常規使用的量子阱DFB激光器，其性能指標一般難以直接滿足以上諸多應用對線寬和RIN的需求。

　　窄線寬激光器和低RIN激光器中噪聲的物理來源基本一致?？蓮慕档途€寬增強因子、降低等效鏡面損耗和內部損耗、提高出光功率等幾個角度進行優化。從器件設計角度出發，典型優化手段主要包括有源區材料優化、腔長優化以及光柵優化。

　　目前DFB激光器最窄線寬已低至3.6 kHz[3]，而低RIN DFB激光器的RIN值也達到-170 dB/Hz水平[4]。

　　圖4 低噪聲DFB激光器。 (a) 3.6 kHz窄線寬激光器[3] ;(b) -170 dB/Hz 低RIN DFB激光器[4]

　　總結與展望

　　經過近50年的發展，半導體DFB激光器的理論體系已經建立的比較完善，相關材料生長和制備方法也被學術界和工業界廣泛掌握。在追求性能的過程中，基于量子阱結構的DFB激光器研究已經由學術界逐漸轉向工業界。

　　可以預計未來5-10年內，在商用領域，DML的調制速率將提升至單波100 Gb/s，大功率DFB激光器的功率將提升至500 mW至1 W水平，而窄線寬和低RIN DFB商用激光器將會分別達到10 kHz及?170 dB/Hz水平。

　　在學術研究領域，研究重心一方面將轉向基于量子阱DFB激光器的規?；δ芗?另一方面將逐步轉向性能更好、功能更多樣化的量子線、量子點、硅基集成或與其它材料體系相集成的DFB激光器。

     參考文獻： 中國光學期刊網

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