五分钟带你全面认识高速半导体激光器

本文作者祝宁华，中国科学院半导体研究所，由激光行业观察整理，仅供交流学习之用，感谢分享！

一、高速激光器的概念

光网络中的光电子器件有很多种类，包括光纤及光纤器件、光源、光探测器（光信号转换为电信号）、光放大器（光信号放大），以及光开关、分路器等有源、无源器件。其中光纤及光纤器件是用来作为媒介传输光信号的，作为发明人的高琨先生在2009年因“开创性的研究与发展光纤通讯系统中低损耗光纤”而获得诺贝尔奖。而光源是最为重要的基本器件，激光器的发明及相关技术也多次获得了诺贝尔奖。

激光器根据调制方式可分为两类，一类是只发射激光，由外调制器再加载电信号：另一类则是直接加载电信号的激光器，称为直接调制激光器。我们这次讨论主要是直接调制激光器，我们也简称为高速激光器。根据另一种方式分类，光电子器件可分为电／光型器件、光／电型器件以及光／光型器件。电／光型器件包括直调半导体激光器（FP、DFB、VCSEL），电吸收光调制器，LiNbO3光调制器等。其中直调半导体激光器也是电／光型器件中最重要的器件。光／电型器件分别包括PD，PIN，APD光电探测器等。光／光型器件分别包括半导体光放大器、掺铒光纤放大器、掺铒光波导放大器、光耦合器等。

半导体激光器的封装技术都是从微电子发展而来，因此很多封装都可以看到微电子封装技术的痕迹。高速激光器的常见封装形式有以下三种：TO封装、蝶型封装以及TOSA、ROSA、BOSA。TO封装无致冷，工艺简单、成本低，广泛应用于2.5Gb/s以下LED、LD和光接收器件和组件的封装。蝶型封装因形状而得名，适用于10Gb/s以上高速器件封装。最后发展到TOSA、ROSA、BOSA的形式，同样适用于10Gb/s以上高速器件封装。

什么是高速激光器呢？高速激光器有两个功能，第一个基本功能是能够发射激光；第二个是能够调制，将宽带高频信号加载到激光上发射出去。不同于激光器加调制器的方式，直调高速激光器没有外调制时带来的插损，同时功耗更低。高速半导体激光器是高速光电子器件的典型代表，被誉为光通信和光网络的“心脏”。高速半导体激光器可实现激光发射和光强度调制双重功能。将微波信号加载到光波，可以实现微波信号低损耗长距离传输。

二、应用领域与分类

高速激光器的应用领域非常广，包括宽带光通信，无线／有线光接入传输都需要用到激光器，可以说，它支撑信息社会的发展。现在超级计算机也到了能耗的瓶颈，因此我们要提出第二个问题，什么样的高速激光器有用？实用化的激光器要具备至少以下几点要素：室温工作、电注入发光、低功耗、小体积等。厉鼎毅先生在发展光波分复用ＷＤＭ方面有重要成就，他对激光器实用化有一个形象的描述令人印象深刻，总结为三点：第一个是小型化，第二个是稳定可靠，第三个是价格低。在1998年左右，一个2.5G的激光器价格是三千多美金，发展到现在一个光猫包括收和发总共也才一百多人民币。到实用化这一步的时候，价格已经很低了。

为确立我国高速激光器发展水平，我们对高速激光器进行了系统的分类。第一类高速激光器要求能够进行数字与模拟光通信，可以实现室温连续与单模激射，应用于光学系统光源。在这一阶段，高速激光器也分为直接调制与外调制集成两种方式，性能要求是宽带高效。为满足超级计算机CPU光互连，宽带光接入，无线通信，以及雷达系统等的技术要求，宽频带／高速率以及大动态／高消光比等关键技术指标是激光器必须具备的。

在高速激光器的响应速率达到Gb/s量级时，人们开始认识到突破高速率／宽频带不是提升传输速率的有效手段。为了满足通信容量增长的需求，发展了波分复用技术。“速率”和“能耗”一直是光网络发展过程中的两大难题。波分复用技术中不同波长的光就是不同的信道，因此对激光器又有新的要求。这就是高速激光器发展的第二阶段，多波长发射及可调谐的激光器。面对信道资源的有效利用，通信速率瓶颈系统功耗的急剧上升以及动态智能调控这几大挑战与需求，要求第二阶段的激光器更加稳定、对准，才能在通信传感等方面大展拳脚。像超级计算机中CPU光互连，高速激光器就可以解决速率、功耗、空间、体积等问题；在无线通信中，同样要求模拟光通信可抗电磁干扰、低损耗、以及无线与有线的融合，要求直接调制激光器与探测器具有高线性、大动态以及低功耗；此外在雷达系统以及宽带光接入中也要普及很大的应用和需求。

空天地一体化网络中空间激光通信是卫星通信网络的有效解决方案，而且已经成为国际上的研究热点。这就要求第三类高速激光器的发展。为满足自由空间相干光通信，此时激光器的要求不同于光纤中的要求，除了高光谱质量还要求激光器具备窄线宽、高频带以及高功率，以应对抗辐照、抗振动、低功耗以及小体积这几方面的挑战，而半导体器件就刚好具备抗辐照的特性。在天地一体化网络中，空间光通信激光光源技术要求有很多，包括窄线宽（100kHz）、高速率、耐辐照、高功率、小体积、低功耗、高稳定性、长寿命、高消光比、大动态范围、高斜率效率、低相位噪声、高边模抑制比（30dB以上）。像美国深空光通信（LLCD）用到的DFB激光器就是窄线宽的半导体激光器。窄线宽激光器在宽带光网络（窄线宽、高速、高稳频）和光传感技术中的应用（窄线宽、小型化、高稳频）也很多。总之，从激光发射的基本概念出发，第一类高速激光器的功能是调制，典型器件如直接调制激光器，应用于模拟和数字光通信；第二类高速激光器要求的是调制和光谱，典型器件如可调谐激光器和多波长激光器阵列，应用于波分复用技术；第三类高速激光器要求的是调制、光谱以及高功率，典型器件如窄线宽高速激光器，应用于自由空间相干光通信。

三、发展历程与展望

最后是激光器的发展历程与展望，那么就要提出第三个问题：要发展的高速激光器有哪些关键技术。突破高速激光器需要解决除了电注入发光以及高频信号幅度调制的问题之外，还有什么要求呢？

高速半导体激光器技术挑战是高速光电子器件的共性关键技术挑战。第一点是提高光电转换效率，但是这时候有两个问题要考虑。第一个问题是激光器结构尺度与寄生参数的突出矛盾，激光器越大发光功率越高，但是寄生电容也大，导致响应速度不够；第二个问题要考虑到不同材料功能微结构及制备工艺兼容性。第二点是高频信号注入效率（调制带宽），由于激光器芯片与电路尺寸差３个量级（～３μｍ），并且激光器芯片与电路阻抗差１个量级（～５Ω），使得电流信号的注入比较困难。因此面临着同时实现宽频带和高功率的难题以及包括耦合封装、测试分析和芯片制备等关键技术。下面是我们在激光器制作方面的一些技术创新：

１）综合性能优化

为实现激光器高效的电注入，我们提出用硅作为载体的高速激光器一体化封装电路设计方案，同时实现低损耗电连接和高效散热双重功能，提高了激光器调制速率，同时也降低了器件成本。为达到激光器高效电光转换，我们首次获得了光波导模场分布的解析解，国外同行认为该方法比有限元法更精确，提出模场匹配的器件结构设计方案，提高电光转换效率。至于激光器的动态特性优化，我们提出提出利用封装寄生参数补偿芯片寄生参数的设计方法，在保证发光效率的条件下，改善高频调制特性（美国MAXIM后来也采用类似技术）。

２）本征动态特性优化

激光器本征动态特性优化解决了激光器芯片本征特性参数精确提取的难题，提出激光器动态P-I特性的概念，并给出相应测试方法，建立了激光器综合性能优化设计方法。加拿大IEEEFellowCartledge在文章中指出：动态特性曲线从理论上解决了工作参数优选的问题，有利于改善高频响应特性。我们这一方案也获得了发明专利：通过功率－电流曲面获得激光器动态特性的方法（）。

３）三维封装技术

由于光子集成器件内部尺度狭小，微波匹配电路（电容，电感，电阻）无法排布，金丝跳线异常复杂，封装工艺难度大，成品率低等问题，我们提出光子集成芯片三维封装技术，突破微波电路的二维设计局限，解决了光子集成芯片匹配电路尺寸受限的难题。基于此，我们申请了一项美国国家发明专利和两项中国国家发明专利。

４）耦合腔激光器

2016年9月中国通信学会对高速激光器及模块组织了成果鉴定，鉴定专家包括王立军和周寿桓等四位院士。鉴定会结论是：

１）研制出窄线宽高速半导体激光器模块，调制带宽达到28GHz，线宽小于180kHz，该项目主要指标均优于国内外同类研究报导的结果；

２）研制出波长间隔稳定的60信道单片集成激光器芯片，突破了高速低损耗光束合成和三维封装关键技术，开发出４×２５Ｇ、１０×１０Ｇ、１６×２５Ｇ、４×１０Ｇ系列高速率低成本小型化光模块，在宽带光通信领域获得广泛应用。研制出窄线宽高速半导体激光器模块，调制带宽达到28GHz，线宽小于180kHz，该项目主要指标均优于国内外同类研究报导的结果。

鉴定专家组认为该项目创新性强、技术难度大，该项目主要技术指标达到国际领先水平。查新结论：带宽为30GHz，线宽为130kHz的直调半导体激光器的研究，在国内外公开文献中未见两项指标均高于该项目的报道。

四、结论

１）发展高速光电子器件的原因和意义

２）高速激光器技术的突破历程

从“九五”到“十三五”一步一个脚印，攻克难题。从2.5G技术起步、10G跟踪发展、18G国际先进、24G与28G国际领先，到目前32G的领先水准，成功突破国外技术封锁，为国防科技和光通信产业奠定了夯实的基础。

３）高速激光器代表性应用

空间站电子侦察系统中替代美国Emcore公司产品，可将链路噪声降低7db；卫星激光通信型号任务中替代AOI公司产品，可将链路接收灵敏度提高3dB；高分专项航天载荷、空间站数据传输以及激光测距。

４）合作研究及应用推广

与华为合作开发了我国首款实用化的4×25Gb/s多波长激光器模块产品，并共同申报发明专利。与中兴建立联合创新中心，同时加入中兴通讯产学研论坛。与光迅（全球排第五的光器件供应商）进行产业化合作，突破了高速激光器模块核心技术，产量达到3万只／天，近五年新增销售24.58亿元。

５）代表性成果及获奖情况

2016年两篇特邀综述文章：中国光子集成技术（）与中国微波光子学（IEEEPhotonicsSocietyNewsletter）。

２０１７年高速激光器特邀综述文章：直调半导体激光器（）和高速激光器（ChineseOpticsLetters）。

祝宁华教授简介

祝宁华，中国科学院半导体研究所研究员，副所长。国家杰出青年基金获得者，担任OpticsExpress等期刊AssociateEditor，国家“863计划”信息领域微电子与光电子主题专家，国家自然科学基金委国际合作咨询专家组成员。主要从事高速光电子器件及集成技术研究，发表SCI论文200余篇，出版著作3部；获授权发明专利96件（美国专利2件），获国家技术发明二等奖。