Хотя в отрасли нет большого прогресса в области DFB, это не останавливает дальнейшие исследования DFB. Сегодня мы представим несколько последних исследований DFB:
- Поверхностно-излучающий DFB в основном используется для приложений на короткие расстояния. Он может похвастаться одномодовым режимом и простым соединением.
HUST разработал одномодовый поверхностно-излучающий DFB-лазер с поверхностной решеткой. За счет введения фазового сдвига в протравленной области выходная мощность лазера достигает 2 мВт, SMSR составляет 46 дБ, коэффициент связи решетки составляет 560 см-1, а наклонная эффективность составляет 0.3 Вт/А.
Вертикально-резонаторные поверхностно-излучающие лазеры (VCSEL) широко используются в сетях коротких линий связи, превышающих сотни метров. Гипермасштабные центры обработки данных предпочитают одномодовые системы передачи с более высокой пропускной способностью и возможностями передачи на большие расстояния. Размер оксидной апертуры, необходимый для одномодовых VCSEL, обычно составляет менее 5 мкм, что создает проблемы с производством и надежностью. Он предлагает одномодовую поверхностно-излучающую структуру DFB-лазера, которая использует горизонтальную полость вместо вертикальной для достижения поверхностного излучения. Оптическая обратная связь лазера использует решетку первого порядка, а поверхностное излучение достигается с помощью решетки второго порядка.
Для получения высокого коэффициента связи решетки используется мелкогребневая волноводная структура и мелкотравленная поверхностная решетка, заполненная SOG.
Для снижения сопротивления и потерь на поглощение фотонов применяется структура NIP, а в подложку вводится туннельный переход для обеспечения инжекции тока.
В области под гребневым волноводом предусмотрены прямоугольные оксидные отверстия большой площади для ограничения инжекции тока.
Трехмерная схема одномодового поверхностно-излучающего DFB-лазера
Для концентрации фотонов в центре резонансной полости (на решетке второго порядка) для улучшения дифракционного выхода, на решетке второго порядка спроектировано положение сдвига фазы λ/4. Положение сдвига фазы λ/4 на решетке второго порядка повлияет на дифракционные характеристики решетки второго порядка, и спроектированы две структуры, как показано на рисунке. Для получения более высокого коэффициента связи решетки оптимизирована верхняя оболочка AlGaAs и используется заполняющая решетка SOG. Длина активной области лазера составляет 40 мкм, а два зеркала DBR — 80 мкм.
Снимки СЭМ
При количестве решеток второго порядка 5 дифференциальная эффективность лазера со сдвигом фазы λ/4 в нетравленной области решетки второго порядка составляет около 0.06 Вт/А, тогда как дифференциальная эффективность лазера со сдвигом фазы λ/4 в травленной области составляет около 0.2 Вт/А.
При количестве решеток второго порядка 9 дифференциальная эффективность лазера со сдвигом фазы λ/4 в области травления решетки второго порядка составляет около 0.3 Вт/А. Пороговый ток лазера составляет около 2.1 мА.
При использовании нижних DBR-отражателей в будущем выходная мощность и наклонная эффективность будут удвоены. Когда ток инжекции больше 3 мА, лазер имеет стабильный одномодовый выход при 25°C, а SMSR больше 46 дБ.
Кривые LIV изготовленных лазеров и выходные спектры в зависимости от тока инжекции
- Далее используйте эффект PPR для увеличения полосы пропускания DML до 53 ГГц. Эта функция оптимизирована для обеспечения стабильности PPR, а массив DFB может использоваться для LAN-WDM на короткие расстояния.
NTT предложила первую решетку DML, которая использует эффект фотон-фотонного резонанса (PPR) в коротковолновых межсоединениях с мультиплексированием по длине волны (WDM). 8-канальная тонкопленочная лазерная решетка LAN-WDM на SiO2/Si передает данные со скоростью 106 Гбод NRZ на расстояние более 2 км с потреблением энергии ~154 фДж/бит.
Полоса пропускания DML увеличивается за счет введения эффекта PPR в конструкцию мембранной полости. Сложность заключается в стабильности PPR. Отражатель DBR имеет длину 200 мкм и соединен с DFB длиной 80 мкм для достижения одномодовой работы посредством фильтрации. Благодаря оптимизации конструкции решетки структура имеет достаточную стабильность PPR по нескольким каналам лазерной решетки.
Измените длины волн Брэгга всех трех секций каждого канала 8λ в массиве одновременно и получите сетку длин волн 5 нм, подходящую для LAN-WDM. Это достигается путем регулировки шага решетки всех секций в каждом канале. Максимальная выходная мощность всех лазеров, связанная с волокном, превышает 0 дБм, а шаг длин волн составляет около 5 нм. Изломы на диаграмме LI вызваны эффектами скачка боковых мод и фильтрации DBR.
Структура лазерной решетки (a) и (b) и статические характеристики: (c) LlV и (d) спектры генерации
При 50°C и токе смещения от 7 до 12.1 мА полоса пропускания 6 дБ всех каналов превышает 53.5 ГГц, а частота PPR находится между 40 и 50 ГГц. В отклике канала № 8 можно увидеть две частоты PPR, которые вызваны относительно высоким коэффициентом связи решетки (при 600~750 см-1).
Реакции ЭО при 50℃
Лазер управляется напрямую при 1~1.3 Vpp. Коэффициент битовых ошибок всех каналов может достигать менее 6.25% с использованием коррекции ошибок заголовка с жестким решением (HD FEC) при 50° back-to-back (BTB) и передаче на расстояние более 2 км, с чистой скоростью передачи данных 99.375 Гбит/с на лямбду и общей скоростью передачи данных 795 Гбит/с. Разница в производительности в случаях BTB и 2 км незначительна.
- Для кремниевого фотонного источника света может быть использован источник света DFB высокой мощности. Его главной особенностью является структура SCOW, которая имеет большую мощность, чем аналогичные, и поддерживает работу при полной температуре.
III-VLab разрабатывает мощные DFB-лазеры и MOPA с использованием оптических волноводов, соединенных между собой с помощью зарытого гребня. Устройство основано на SCOW и использует технологию полуизолирующей зарытой гетероструктуры (SIBH). MQW состоит из GaInAsP-колодца для сжатия и AlGaInAsP-пятикомпонентного барьера для растяжения.
Длина лазера DFB составляет 2 мм. Длина лазерной части MOPA составляет 1.5 мм, длина части SOA составляет 2.5 мм, на выходе имеется изгиб Бесселя длиной 500 мкм с углом волновода 7°.
При DFB на 1 А максимальная выходная мощность составляет 148 мВт при 85 °C и 333 мВт при 25 °C. Тепловое сопротивление для DFB-лазера длиной 2 мм составляет около 6.6 К/Вт. Начиная с 300 мА максимальное значение RIN составляет менее -160 дБ/Гц. Минимальная ширина линии составляет менее 30 кГц при 200 мА. Когда ток больше, ширина линии увеличивается из-за выжигания дыры вдоль продольного пространства резонатора DFB-лазера, но остается ниже 80 кГц при 900 мА.
Когда ток DFB установлен на 1 А, выходная мощность составляет приблизительно 300 мВт. MOPA достигает максимальной выходной мощности более 480 мВт при токе SOA около 1.65 А. Структура имеет хорошие тепловые характеристики, а длина волны лазерной части очень стабильна, когда ток SOA составляет до 1.5 А.
- Для лазеров на квантовых точках большинство исследований основано на лазерах FP, а производительность DFB очень плохая. Однако мощность DFB и ширина линии, продемонстрированные Innolume на этот раз, неплохие.
Innolume сообщил, что ширина линии FWHM лазеров InAs/GaAs QD DFB диапазона O составляет всего 92 кГц (часть Лоренца составляет всего 6 кГц). Выходная мощность лазера после упаковки достигает 90 мВт при 600 мА. Тепловое сопротивление лазера оценивается в 28 (К/Вт)·мм.
Основные улучшения:
1) Резонатор лазера был расширен до 4 мм для увеличения добротности резонатора.
2) Конструкция решетки увеличивает коэффициент связи решетки kL до 2 и оптимизирована для уменьшения пиковой расстройки среды усиления при 25°C.
3) За счет расширения асимметричного волновода угол расхождения быстрой оси уменьшается с 35 до 28 градусов.
Для проверки соответствующей ширины линии в условиях высокой и низкой мощности используются два метода.
При малой мощности 10 мВт ширина линий была измерена с использованием метода самогетеродинирования и оказалась равной 30 кГц и 75 кГц для лоренцевских и гауссовых линий соответственно.
При высоких мощностях, которые невозможно надежно описать функцией Фойгта, оптический фазово-частотный шум измеряется напрямую, поскольку профиль лазерной линии определяется спектром частотного шума. При увеличении оптической мощности с 10 мВт до 75 мВт формула показывает, что ширина линии Лоренца уменьшается с 30 кГц до 6 кГц.