• 信息光电子集成技术

5 信息光电子集成技术

微电子技术的特点是依靠大规模集成实现高性能、低成本、低功耗和小型化的电子集成器件。与微电子技术发展并行的光电子技术,其未来发展趋势也是向光子集成器件发展,但是面临各种巨大的挑战。首要的一个挑战是如何在一个晶片上实现高性能半导体激光器以及阵列的低成本和大规模集成。为此,我们提出了重构-等效啁啾(reconstruction-equivalent chirpREC)技术,突破了多年来多波长DFB激光器阵列制造中的波长精度差以及成本昂贵的瓶颈。另外,在可调谐激光器上,提出了基于REC技术级联式可调谐方案,实现了低成本无跳模的波长连续可调,有望未来实现可商用化的低成本可调谐模块。    


5.1 集成DFB激光器阵列 (面向大规模光子集成) 
 

   

      

多波长DFB激光器阵列在超级计算机光互联中的应用以及阵列芯片示意图    

  多波长DFB半导体激光器阵列是光子集成芯片最为核心的部分。它为整个芯片以及系统提供高质量的光源,在光传输网和光互联等以及其他WDM大容量通讯系统中得到重要应用。目前,DFB激光器阵列主要采用电子束曝光,但是因其逐点扫描的方法刻写光栅条纹,该技术极其耗时且设备非常昂贵。REC技术能利用一次全息曝光与一次普通微米级光刻即可以等效实现各种光栅纳米级变化,适合低成本规模化制造。尤其是REC技术波长控制能力极高,可以实现波长的精准制造。基于REC技术,我们在国内落后的平台上实验了波长精度与波长数都世界纪录的结果——60波长DFB激光器阵列(Y. Shi, S. Li, X. Chen ,et.al, Scientific Reports, 4 : 7377, (2014) )。随后,波长精度进一步实现高达±0.1nmJ. Lu, S. Liu, Q. Tang, H. Xu, Y. Chen, X. Chen, Optics letters, 40(22):5136-5139, (2015))。因此,REC技术有望在低成本高端DFB激光器以及阵列方面实现突破。    

      

(a) 60波长激光器阵列的光栅示意图 (b)光谱测试结果    

     

多波长激光器阵列可实用化的封装模块    


5.2 低成本可调谐激光器    


 

在下一代无源光网络(NG-PON2)和5G移动无线接入系统的光承载网中需要用到大量的低成本连续可调试激光器,市场需求量非常大。目前,传统的技术方案结构复杂、成本高,尚不能满足要求。因此,低成本可调谐激光器是目前学术圈和产业界的研究热点。是否能实现具有自主知识产权的技术方案,是未来掌握相关产业高点的关键。    

      

可调谐激光在TWDM PON中应用示意图    

      

 四通道串联可调谐激光器显微镜图及模块    

针对该问题,我们提出了基于REC技术的串联式低成本可调谐激光器。该类激光器具有单模特性好,制造成本低,封装容易等诸多优点的。 目前已经实现了多种调谐性能的可调谐激光器。比如,基于四通道可调谐激光器可以覆盖50GHz32DWDM信道,基于八通道可调谐激光器可以覆盖100GHz间隔的32DWDM信道,申请和授权了多项相关专利(L.Li, S.Tang, L.Huang, et. al, Semiconductor Science and Technology, 29(9): 095002, (2014);   S. Tang , J. Lu,  L. Li, et.al, IEEE Photonics Technology Letters, 27(5): 530-533, (2015); 201310548890.5, 201310548888.8, 201510134181.1)。目前我们在积极推进该可调谐技术方案的产业化。    

     

四通道及八通道DWDM可调谐激光器测试光谱图    

此外,未来超低时延、完全无阻塞网络需要大量小型化快速稳定可调谐激光光源器件和模块。针对所需要的高速数据光交换的快速可调谐激光器技术,我们提出了基于REC技术的单片集成多波长激光器阵列波长快速切换技术。采用串并联方式,将DFB激光器单片集成在一个芯片上,并通过平面集成合束器耦合在同一根光纤内输出。每个激光器的波长通过设计,精确覆盖所需的信道,不需要通过其他手段(改变电流或温度)进行额外的波长调谐,极大提高了波长调谐速度。    

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  基于波长切换的快速可调谐激光器系统结构    

我们基于REC技术的波长精准控制实现了多波长串并联DFB阵列激光器与快速波长切换和波长稳定系统。最终实现可实用化的快速可调谐激光光源。其切换速度35ns左右,远高于高速数据光交换对快速可调谐光源调谐速度的基本要求(切换时间1ms),有望用于未来无阻塞的全光交换和全光路由系统中。    

      

快速可调谐激光器模块的实物及切换时间测试结果