生成式人工智能和高性能計算需求的不斷增長，提高了數(shù)據(jù)中心內(nèi)高速、節(jié)能通信的重要性，這使得共封裝光學(xué)（CPO）技術(shù)備受關(guān)注。作為CPO的組成部分，外置激光源（ELS）需要幾百毫瓦的高光輸出功率，以及超過20%的功率轉(zhuǎn)換效率的低功耗。

本文討論了一種將寬條紋波導(dǎo)半導(dǎo)體光放大器（SOA）集成到用于CPO的1.3μm大功率半導(dǎo)體激光器中的技術(shù)。通過采用各元件電隔離的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了功率分配，在45℃的溫度下實(shí)現(xiàn)了超過400mW的輸出功率和25%的功率轉(zhuǎn)換效率。

1. 引言

隨著近年來生成式人工智能和高性能計算的普及，短距離光纖通信（例如數(shù)據(jù)中心內(nèi)1公里以下的通信）的需求顯著增加。為了滿足這種日益增長的需求，提高通信系統(tǒng)的速度并降低功耗尤為重要。業(yè)界正在推動引入共封裝光學(xué)（CPO）技術(shù)，該技術(shù)將集成電路和光收發(fā)系統(tǒng)緊湊地封裝在一起。

CPO技術(shù)可以縮短光收發(fā)系統(tǒng)與集成電路之間的電氣布線，從而實(shí)現(xiàn)更快的通信并減少功率損耗。另一方面，在使用硅光子技術(shù)和激光器進(jìn)行光收發(fā)系統(tǒng)內(nèi)信號處理時，半導(dǎo)體激光器需要超過100mW的高光輸出來補(bǔ)償發(fā)生的光學(xué)損耗。為了保持整個系統(tǒng)的低功耗，即使在高光輸出下運(yùn)行，也需要保持超過20%的高功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）。

隨著CPO被引入數(shù)據(jù)中心通信，作為外置激光源（ELS）的1.3μm波段大功率激光源的研究也日益活躍。已有研究報道了使用長激光腔結(jié)構(gòu)以及集成分布式反饋激光二極管（DFB-LD）和半導(dǎo)體光放大器（SOA）的結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)了超過100mW光輸出的激光源。

在此趨勢下，研究團(tuán)隊(duì)通過引入用于高輸出LD（如加工用LD和光纖激光器激發(fā)用LD）的寬條紋結(jié)構(gòu)，并利用電隔離技術(shù)優(yōu)化各區(qū)域的輸入功率以提高PCE，成功實(shí)現(xiàn)了在45℃的基板溫度下，PCE為25%、光輸出超過400mW的高效半導(dǎo)體激光源。

2. 器件結(jié)構(gòu)

實(shí)現(xiàn)高激光輸出，寬條紋波導(dǎo)結(jié)構(gòu)非常有效。然而，寬條紋波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的激光腔難以實(shí)現(xiàn)單模振蕩，因此不適用于需要高相干性的光通信等應(yīng)用。如圖1所示，通過形成一個集成了DFB-LD段和SOA段的器件結(jié)構(gòu)，兼顧了高輸出和相干性。DFB-LD段滿足單模傳播條件，而SOA段則在寬條紋波導(dǎo)中放大DFB-LD的光。

該器件SOA段的波導(dǎo)寬度設(shè)為7.2μm，器件總長度為2mm。SOA段較寬的波導(dǎo)寬度可以降低光子密度，從而抑制增益飽和。它還可以因電阻降低而減少熱量產(chǎn)生，并通過擴(kuò)大散熱路徑改善熱阻，從而降低工作期間有源層的溫度，進(jìn)而增加光輸出。

DFB-LD段和SOA段通過錐形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在有源層上耦合。DFB-LD段容易達(dá)到光輸出飽和，它作為種子光源，在低電流下工作以產(chǎn)生相干光。通過相應(yīng)增加SOA電流，整個器件可以實(shí)現(xiàn)高PCE并保持相干性。

SOA段的輸出端面進(jìn)行了抗反射（AR）鍍膜，DFB-LD段的端面進(jìn)行了高反射（HR）鍍膜。由于SOA位于該器件結(jié)構(gòu)的出射側(cè)，如果輸出端面存在反射，則存在以SOA部分作為諧振腔發(fā)生激光振蕩的風(fēng)險。因此，通過采用與輸出端面成一定角度的斜波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可以抑制輸出端面反射，并抑制邊模抑制比（SMSR）的劣化。

3. 器件特性

●3-1 發(fā)射特性
在評估器件特性時，在將激光芯片安裝在AlN散熱片上的芯片-基板（CoS）組件上進(jìn)行了測試。器件溫度Tc定義為安裝CoS的基板溫度。圖2顯示了光輸出的溫度依賴性，其中PO表示SOA段的光輸出，ISOA和IDFB分別表示SOA和DFB-LD段的注入電流。在此，DFB-LD段在25°C時閾值電流約為17mA，目標(biāo)注入電流IDFB設(shè)為250mA。

在T_c為25℃、45℃和65℃時，獲得的最大光輸出分別為600mW、450mW和320mW，證實(shí)了使用寬條紋SOA段成功產(chǎn)生了高輸出。設(shè)想實(shí)際工作條件，使用各最大輸出時SOA電流值的0.7倍作為工作電流，在T_c為25℃、45℃和65℃時，分別實(shí)現(xiàn)了530mW（I_SOA=1.05A）、400mW（I_SOA=0.88A）和280mW（I_SOA=0.78A）的工作光輸出，確保了作為CPO應(yīng)用ELS的足夠光輸出。

我們的器件具有獨(dú)立的SOA和DFB-LD段，其PCE由下式給出：

其中，V_SOA和V_DFB分別表示施加到SOA和DFB-LD段的電壓。圖3顯示了PCE對光輸出的溫度依賴性。在Tc為25℃、45℃、65℃時，最大PCE分別為33%、28%和22%，在實(shí)際工作條件下分別為28%、25%和21%，證實(shí)了高效的發(fā)射特性。

● 3-2 振蕩光譜
在CPO應(yīng)用中，振蕩光譜要求單模和高SMSR。特別是在集成的SOA器件結(jié)構(gòu)中，已有報道指出，當(dāng)DFB-LD的光輸出強(qiáng)度不足時，SOA中發(fā)生的放大自發(fā)輻射（ASE）噪聲或輸出端面反射會導(dǎo)致SMSR劣化。因此，需要通過評估振蕩光譜來確認(rèn)是否可以用于光通信應(yīng)用，并確認(rèn)SOA是否以諧振方式工作。

首先確認(rèn)了未集成SOA時，僅DFB-LD段的發(fā)射特性。圖4顯示了僅DFB-LD段結(jié)構(gòu)的發(fā)射特性。此時，DFB-LD段的輸出端面進(jìn)行了AR鍍膜。與3-1節(jié)類似，如果DFB-LD的工作電流為250mA，在T_c為25℃、45℃、65℃時獲得的光輸出分別為124mW、113mW和90mW。與3-1節(jié)的實(shí)際工作條件相比，在SOA集成結(jié)構(gòu)中，SOA增益在T_c為25℃、45℃、65℃時分別為6.3dB、5.5dB和4.9dB，均顯示出較低的放大率。

鑒于SOA的小信號增益通常為20dB或更高，飽和光輸出約為10mW，根據(jù)其低放大率可以判斷SOA工作在增益飽和狀態(tài)。由于處于增益飽和狀態(tài)，注入SOA的大部分載流子被受激發(fā)射消耗，從而創(chuàng)造了抑制ASE噪聲產(chǎn)生的工作條件。在ISOA下測量的振蕩光譜的溫度依賴性如圖5所示。在所有測量條件下均可確認(rèn)單模振蕩，證實(shí)了根據(jù)器件設(shè)計理念，只有DFB-LD的0階模激光在SOA段被放大。

此外，獲得了超過45dB的穩(wěn)定SMSR，并且沒有出現(xiàn)稱為外腔模式的波峰，因此可以確認(rèn)它不受SOA的ASE或SOA端面反射的影響，確保了用于光通信應(yīng)用足夠的相干性。此外，作為CPO的ELS，還需要振蕩光譜的穩(wěn)定性。已知高輸出激光器和長腔激光器由于空間燒孔效應(yīng)容易引起模式跳變。模式跳變是指振蕩光譜跳到另一個相鄰波長的現(xiàn)象，這也可能導(dǎo)致多模振蕩。同時,還會在光輸出中發(fā)生稱為扭折的不連續(xù)變化，這在光通信系統(tǒng)中進(jìn)行控制時會成為問題。

相反，由于器件結(jié)構(gòu)主要使用SOA段來實(shí)現(xiàn)高輸出，DFB-LD段的光密度相對較低，從而形成了一種不易引起空間燒孔效應(yīng)的結(jié)構(gòu)。模式跳變的發(fā)生可以通過在大范圍電流掃描中觀察振蕩頻率的連續(xù)變化來確認(rèn)，因?yàn)樗l(fā)生在注入電流變化導(dǎo)致激光器內(nèi)部電場強(qiáng)度改變時。圖6顯示了在T_c為45℃時，當(dāng)I_DFB從52.5mA掃描到350mA，I_SOA從0掃描到1500mA時，振蕩光譜峰值的變化。每次電流掃描期間的振蕩光譜都以規(guī)則的振蕩間隔結(jié)束，確認(rèn)沒有發(fā)生模式跳變，可以獲得穩(wěn)定的振蕩光譜。

●3-3 相對強(qiáng)度噪聲（RIN）
除了振蕩光譜外，相對強(qiáng)度噪聲（RIN）是考慮光通信應(yīng)用時另一個需要確認(rèn)的重要參數(shù)。圖7顯示了在T_c為45℃時，RIN對I_SOA和I_DFB電流的依賴性。RIN主要取決于I_DFB，平均RIN隨著I_DFB的增加而降低。隨著I_SOA的增加，沒有觀察到變化趨勢，通過將I_DFB工作在200mA或更高，可以獲得低于-155 dB/Hz的低RIN。

●3-4 遠(yuǎn)場圖案（FFP）
使用寬條紋波導(dǎo)時的一個問題是對遠(yuǎn)場圖案（FFP）的影響。使用寬條紋波導(dǎo)的高輸出LD可能由于多模振蕩或稱為燈絲效應(yīng)的現(xiàn)象而導(dǎo)致光束形狀異常，如雙峰。圖8顯示了測得的FFP。在水平方向和垂直方向都獲得了近似高斯形狀的FFP，水平方向和垂直方向的半高全寬（FWHM）分別為12.7°和23.2°，證實(shí)了從單模傳播條件獲得的預(yù)期光束形狀。

4. 結(jié)論

我們開發(fā)了一種用于CPO應(yīng)用的1.3μm波段半導(dǎo)體激光器，該激光器采用寬條紋SOA集成DFB-LD結(jié)構(gòu)，在45℃工作條件下實(shí)現(xiàn)了超過400mW的光輸出和25%的高PCE。這種大功率激光器具有高穩(wěn)定性的振蕩光譜，SMSR超過45dB，RIN低于-155dB/Hz，證明其適用于CPO應(yīng)用。

技術(shù)術(shù)語
● 分布式反饋激光二極管（DFB-LD）：通過在激光諧振腔內(nèi)設(shè)置分布光柵，利用布拉格反射實(shí)現(xiàn)波長選擇的半導(dǎo)體激光器
●  半導(dǎo)體光放大器（SOA）：由增益介質(zhì)構(gòu)成的半導(dǎo)體波導(dǎo)。通過在電子反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)下注入電流和輸入光，利用受激發(fā)射實(shí)現(xiàn)光放大
● 邊模抑制比（SMSR）：主振蕩光譜峰值與邊帶光譜峰值的強(qiáng)度比
● 放大自發(fā)輻射（ASE）：自發(fā)輻射光被放大后產(chǎn)生的非相干光
● 相對強(qiáng)度噪聲（RIN）：單位頻率的光功率噪聲與載波光功率的強(qiáng)度比
● 遠(yuǎn)場圖案（FFP）：從激光器輸出端面發(fā)射的光功率的角度強(qiáng)度分布

作者：Konosuke AOYAMA（住友電工器件創(chuàng)新株式會社）

來源：榮格-《國際工業(yè)激光商情》

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