（中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，北京 100083）

(Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China)

信息技術(shù)引領(lǐng)社會(huì)生產(chǎn)新變革。為緩解目前信息傳輸速率和容量的壓力，以激光為載體的通信技術(shù)正在逐步取代電子通信技術(shù)，其中，激光器是激光通信系統(tǒng)中的核心元器件，主要用于光學(xué)信號(hào)的產(chǎn)生和接收。半導(dǎo)體激光器具有小體積、長(zhǎng)壽命、易于集成和可直接調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)，已成為激光通信技術(shù)中理想的光源器件?？臻g激光通信和光纖相干光通信對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)容量、相位噪聲和靈敏度等性能指標(biāo)有較高的要求，這就要求激光器應(yīng)具有較窄的線寬、低相位噪聲、高頻率穩(wěn)定性和可調(diào)諧等特性。不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)激光器又有不同的要求，例如，空間光通信不需要激光器具有很寬的調(diào)諧帶寬，而是要求其具有窄的線寬，一般要求洛倫茲線寬在10 kHz以下，并且具有很高的頻率穩(wěn)定度。對(duì)于相干光通信系統(tǒng)，光源不僅需要有較窄的線寬（一般要求線寬小于100 kHz），而且最好具有寬的調(diào)諧范圍，來滿足現(xiàn)在的波分復(fù)用系統(tǒng)的波長(zhǎng)要求，同時(shí)出射光功率一般要求在10 dBm以上；因此，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，也就需要不同的技術(shù)手段來生產(chǎn)和設(shè)計(jì)相應(yīng)的激光器模塊。

1 芯片和器件的制備技術(shù)

激光器模塊一般包括增益芯片、光路耦合系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路、溫控電路等幾部分。作為核心部分的增益芯片的工藝比較復(fù)雜，一般包括外延、光刻、腐蝕、濺射等工藝，其結(jié)構(gòu)層一般包括襯底層、緩沖層、隔離層、限制層、有源層、波導(dǎo)層、歐姆接觸層以及外面的電極層等。其中有源層一般為多層量子阱結(jié)構(gòu)，以提供足夠的增益。最簡(jiǎn)單的是法布里-珀羅（F-P）腔激光器，其內(nèi)部不存在光柵，只通過芯片兩側(cè)的解理面來形成諧振；所以其一般為多縱模激射，主要用于短距離通信。在長(zhǎng)距離通信中要求激光器為單縱模，因此在芯片設(shè)計(jì)中引入光柵，其中，光柵分布在有源層中的為分布反饋（DFB）激光器，光柵位于有源層兩側(cè)無源區(qū)的則是分布布拉格反射（DBR）激光器。DFB激光器是在一次外延結(jié)束后，通過光刻和刻蝕工藝在波導(dǎo)層制作所需要的光柵，之后再進(jìn)行二次外延，從而得到晶元片。為避免二次外延對(duì)芯片有源層的損傷，也有的工藝采用表面光柵，這種光柵是在外延片生長(zhǎng)好之后，在脊波導(dǎo)刻蝕工藝中，通過干法和濕法刻蝕在脊波導(dǎo)上刻蝕一定的深度來形成光柵結(jié)構(gòu)。由于DFB光柵分布在整個(gè)有源層區(qū)域，其一般有兩個(gè)激射模。為了解決這個(gè)問題，一般在光柵制作過程中引入λ/4相移，從而實(shí)現(xiàn)單縱模激射。DBR激光器芯片的一種制作工藝是把增益區(qū)旁邊區(qū)域刻蝕到有源層以下，之后二次外延得到無源波導(dǎo)層，并在波導(dǎo)層中生長(zhǎng)刻蝕光柵結(jié)構(gòu)。DBR激光器的光柵由于是位于有源層兩側(cè)或單側(cè)的無源波導(dǎo)層中，因此只有一個(gè)激射模式。激光器調(diào)諧通過電流注入和電極加熱的方式改變波導(dǎo)層中光柵材料的有效折射率，從而改變光柵的中心波長(zhǎng)。例如，如文獻(xiàn)[1]的作者采用非對(duì)稱相移光柵設(shè)計(jì)，通過改變DFB芯片溫度（15～85 ℃）可以實(shí)現(xiàn)9.7 nm的波長(zhǎng)調(diào)諧，同時(shí)線寬達(dá)到 300 kHz。OKAI M.等[2]使 用 波 峰調(diào)制光柵來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的λ/4相移，從而實(shí)現(xiàn)1.3 nm的調(diào)諧范圍，線寬達(dá)到100 kHz，輸出光強(qiáng)度10 mW?？梢钥闯?，單個(gè)芯片一般調(diào)諧范圍在10 nm左右，這就限制了其在波分復(fù)用系統(tǒng)中的應(yīng)用。為增加波長(zhǎng)調(diào)諧范圍，激光器陣列[3]、取樣光柵[4]以及外腔光柵激光器[5]被提出和研究 。其中，外腔激光器可以在實(shí)現(xiàn)大范圍調(diào)諧的同時(shí)對(duì)線寬進(jìn)行壓窄，例如，文獻(xiàn)[5]的作者實(shí)現(xiàn)了200 nm的調(diào)諧且線寬達(dá)到5 kHz。可以看出，光柵的使用不僅可以起到選模作用，當(dāng)使用多個(gè)光柵時(shí)，還可以增大調(diào)諧范圍，并且對(duì)輸出線寬進(jìn)行壓窄。文獻(xiàn)[6]的作者使用兩個(gè)DBR光柵通過游標(biāo)效應(yīng)在選模的同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了線寬壓窄，從而使線寬達(dá)到80 kHz，且調(diào)諧范圍覆蓋C波段。由此可見，芯片的設(shè)計(jì)會(huì)從根本上影響其應(yīng)用性能和應(yīng)用場(chǎng)景，但是單個(gè)芯片必須輔以精準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)電路和溫控電路才能更好地保證模式、線寬的穩(wěn)定，同時(shí)對(duì)于一些穩(wěn)定度和線寬要求較高的地方還需要穩(wěn)頻技術(shù)的輔助才能滿足通信要求。

2 穩(wěn)頻技術(shù)

激光器芯片雖然可以通過結(jié)構(gòu)和外延層設(shè)計(jì)優(yōu)化來改善其線寬、功率、調(diào)諧、邊摸抑制比等性能，但是由于芯片工作時(shí)的溫度、電流變化，其頻率會(huì)出現(xiàn)大的波動(dòng)甚至?xí)刑５陌l(fā)生。這時(shí)候就需要檢測(cè)芯片的輸出頻率，并對(duì)芯片的驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行調(diào)整來實(shí)現(xiàn)激光器穩(wěn)定工作。首先，要獲取頻率信息一般需要鑒頻器，其種類有氣體吸收池和F-P標(biāo)準(zhǔn)具。氣體吸收池的原理是其內(nèi)部氣體會(huì)吸收特定波長(zhǎng)的光，之后會(huì)由于飽和吸收效應(yīng)透射譜上會(huì)出現(xiàn)透射峰，通過調(diào)整驅(qū)動(dòng)電流使得激光器頻率穩(wěn)定在這一透射峰附近。在光通信領(lǐng)域常用的氣體吸收池是氖氣（1 291 nm）和乙炔（1 510～1540 nm）。F-P標(biāo)準(zhǔn)具的透射譜由一系列的透射峰組成，一般選擇其中一條作為參考。由于溫度會(huì)改變標(biāo)準(zhǔn)具的腔長(zhǎng)，所以一般選用低熱膨脹系數(shù)的材料制作標(biāo)準(zhǔn)具，并輔以相應(yīng)的溫控系統(tǒng)。通過鑒頻器獲取頻率信息之后，還需要提取信息并分析，然后調(diào)整驅(qū)動(dòng)電流或者其他一些如外腔腔長(zhǎng)、光柵傾角等參數(shù)。Pound-Drever-Hall（PDH）算法[7]就是一種通過F-P標(biāo)準(zhǔn)具獲取頻率信息來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻的技術(shù)，其系統(tǒng)如圖1所示[8]。這種技術(shù)的原理是單頻激光通過電光調(diào)制器（EOM）之后會(huì)在載頻兩側(cè)產(chǎn)生幅度相等相位相反的兩個(gè)邊帶，將調(diào)制光與載波拍頻，如果激光等于F-P標(biāo)準(zhǔn)具的共振頻率，則拍頻后兩個(gè)邊帶會(huì)互相抵消，輸出電流為零，若是與F-P標(biāo)準(zhǔn)具的共振頻率存在一定差距，則會(huì)輸出一個(gè)電信號(hào)。這個(gè)電信號(hào)經(jīng)過濾波、放大后即可作為穩(wěn)頻的誤差信號(hào)，并由此調(diào)節(jié)激光器的頻率。文獻(xiàn)[9]中作者采用PHD算法把線寬壓窄到1.5 Hz，同時(shí)頻率穩(wěn)定度小于2×10-15。

上面提到的穩(wěn)頻技術(shù)都是通過獲取芯片頻率信息、主動(dòng)改變激光器的工作狀態(tài)來保證激光器的頻率穩(wěn)定，屬于主動(dòng)穩(wěn)頻技術(shù)。相應(yīng)的還有被動(dòng)穩(wěn)頻，其鑒頻器也是F-P標(biāo)準(zhǔn)具，根據(jù)F-P腔對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有不同的反射系數(shù)這一性質(zhì)，就可以把激光器的頻率噪聲轉(zhuǎn)化成強(qiáng)度噪聲[10]。這種被動(dòng)穩(wěn)頻的原理也稱為光負(fù)反饋?zhàn)饔?，首先確定需要穩(wěn)定的頻率點(diǎn)，當(dāng)出射光頻率大于這個(gè)頻率點(diǎn)時(shí)，反饋光強(qiáng)度會(huì)變大，從而抑制腔內(nèi)的載流子濃度，根據(jù)等離子效應(yīng)有效折射率會(huì)升高，從而導(dǎo)致出射光頻率降低，反之則頻率升高。通過上述途徑就可以使激光器的頻率穩(wěn)定在需要的頻率點(diǎn)，并且壓窄線寬，例如，文獻(xiàn)[10]得到線寬3 kHz的單頻輸出。

3 低噪聲恒流驅(qū)動(dòng)技術(shù)

圖1 Pound-Drever-Hall（PHD）系統(tǒng)圖[8]

上文雖然提到通過獲得激光器的頻率信息，然后調(diào)整芯片的驅(qū)動(dòng)電流來實(shí)現(xiàn)激光器頻率的穩(wěn)定，但那是其驅(qū)動(dòng)電流中不含有噪聲的情況。如果驅(qū)動(dòng)電流存在擾動(dòng)，則會(huì)引起芯片電流密度產(chǎn)生數(shù)量級(jí)的變化，將嚴(yán)重影響激光器的輸出模式、功率、相位噪聲、線寬等，如在1 550 nm附近1 mA的驅(qū)動(dòng)電流變化可以引起輸出光頻率變化約360 MHz[11]；因此，在激光器的恒流驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中，要充分考慮激光器的電學(xué)參數(shù)，在合理的范圍內(nèi)做好限流、防浪涌和過沖等安全保護(hù)措施。例如，文獻(xiàn)[12]中作者提出的雙通道驅(qū)動(dòng)電路，其波紋系數(shù)小于0.075%。華南理工大學(xué)[13]設(shè)計(jì)的電流負(fù)反饋驅(qū)動(dòng)電路，可以實(shí)現(xiàn)0.5%的高穩(wěn)定度電流輸出，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的延時(shí)啟動(dòng)電路以防止電流浪涌的影響。作為驅(qū)動(dòng)電路中常用的電流負(fù)反饋系統(tǒng)，如圖2所示，其主要的功能模塊包括：（1）總控功能模塊，由微控單元（MCU）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、高精度電源基準(zhǔn)構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)反饋電路的數(shù)據(jù)采集、校準(zhǔn)、延時(shí)控制設(shè)定以及對(duì)外通信（如外接PC機(jī)）等工作；（2）電流采集和負(fù)反饋控制模塊，由采樣電阻、負(fù)反饋電路和放大電路三者組成，它們協(xié)同工作完成負(fù)反饋恒流控制；（3）濾波去噪模塊，主要由濾波去噪電路和容感器件組成，其作用是對(duì)電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電、熱噪聲進(jìn)行處理，以消除噪聲對(duì)激光器的影響。只有保證激光器驅(qū)動(dòng)電流的穩(wěn)定，才能避免電流噪聲的影響，減少由電流噪聲引起的波長(zhǎng)偏移和抖動(dòng)。

4 高精度溫度智能控制

半導(dǎo)體激光器是一種的電-光轉(zhuǎn)換器件，它的一般的工作原理是：在電流驅(qū)動(dòng)下，半導(dǎo)體工作物質(zhì)的導(dǎo)帶與價(jià)帶之間或半導(dǎo)體物質(zhì)的受主與施主之間，實(shí)現(xiàn)非平衡載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)態(tài)的大量電子與空穴復(fù)合，產(chǎn)生受激輻射，在諧振腔的作用下形成受激振蕩輸出激光；但是，由于存在非輻射復(fù)合損耗、自由載流子吸收等損耗機(jī)制，激光器芯片的外微分量子效率只能達(dá)到20%～30%，同時(shí)大部分的注入電流轉(zhuǎn)化為熱量，導(dǎo)致激光器的溫度升高，閾值電流增大，激光器輸出光功率降低，波長(zhǎng)偏移以及模式跳模。以用半導(dǎo)體外腔激光器的空間光通信為例，溫度每變化1 ℃，激光器的波長(zhǎng)變化約為10 pm，溫度的不穩(wěn)定將嚴(yán)重影響相干調(diào)制以及空間通信系統(tǒng)的使用。另一方面，在一些如太空、海底以及沙漠等惡劣環(huán)境下，溫度變化較為劇烈，使得激光器件的溫度更加難以控制；因此，為了保證激光器在不同溫度環(huán)境下都能正常工作，必須對(duì)激光器實(shí)現(xiàn)高精度溫度控制。

圖2 恒流控制結(jié)構(gòu)框圖

當(dāng)前存在大量的激光器溫度控制方法，比如，通過使用控溫芯片MAX1968，文獻(xiàn)[14]和[15]的作者分別實(shí)現(xiàn)0.02 ℃和0.005 ℃的溫度控制精度?，F(xiàn)在使用最為廣泛的則是傳統(tǒng)的模擬比例-積-微分（PID）控制方式，如文獻(xiàn)[16]的作者使用熱敏電阻結(jié)合模擬PID電路的方案實(shí)現(xiàn)0.02 ℃的溫度控制精度。模擬PID電路的優(yōu)點(diǎn)是其簡(jiǎn)單的電路比較好實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是整定、修改參量繁瑣，而且與其他儀器傳輸數(shù)據(jù)較為困難；所以，現(xiàn)在的研究多用數(shù)字電路來解決溫度控制。如文獻(xiàn)[17]的作者基于粒子群自整定PID算法實(shí)現(xiàn)0.01 ℃的溫度控制精度。數(shù)字PID控制電路的具體溫控系統(tǒng)框圖如圖3所示，該系統(tǒng)主要由主控單元（MCU）、高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分（RTD）電路、預(yù)放大電路以及半導(dǎo)體制冷器（TEC）控制電路組成。其中，PC機(jī)與主控單元可以進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)程序下載和維護(hù)；ADC會(huì)采集由預(yù)放大電路放大的電壓模擬信號(hào)，之后把信號(hào)傳送給MCU；MCU通過對(duì)內(nèi)部編寫的PID算法進(jìn)行分析后，改變TEC的電壓從而對(duì)芯片進(jìn)行加熱或者制冷。采用這種技術(shù)的外腔激光器，可以使溫度漂移低于0.0010 ℃，線寬達(dá)到 4.5～7.5 kHz[18]。

5 結(jié)束語

從上文的討論中可以看出，要想實(shí)現(xiàn)激光器的窄線寬高穩(wěn)頻輸出，可以首先從芯片工藝出發(fā)，改進(jìn)芯片結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)激光器性能的優(yōu)化。不同的應(yīng)用場(chǎng)景可以選擇DFB、DBR、取樣光柵（SG）-DBR或者其他集成多個(gè)光柵和放大器的芯片。為進(jìn)一步提高激光器的穩(wěn)定性和單頻特性，壓窄線寬可以結(jié)合外腔光反饋和電反饋等穩(wěn)頻技術(shù)來改善激光器的輸出特性。應(yīng)用低噪聲的電流驅(qū)動(dòng)電路和精準(zhǔn)的溫度控制電路保證了穩(wěn)頻系統(tǒng)和芯片工作環(huán)境的穩(wěn)定，使其免受電流噪聲和熱噪聲的影響。

圖3 溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖