高速光通信用的光電子器件的進展<

   　人類社會的信息化建設(shè)正在加速進行，即使是在全球經(jīng)濟發(fā)展不景氣的情況下，通信和信息行業(yè)也十分紅火。光通信呈現(xiàn)著蓬勃發(fā)展的新局面，正朝著高速、超高速光纖傳輸、超大容量的WDM、OTDM以及全光網(wǎng)等方向發(fā)展。但這些系統(tǒng)的實現(xiàn)還依賴于相應(yīng)的光電子技術(shù)的進步。一系列的光電子器件將在未來的通信網(wǎng)中起著重要的作用，因而各國從事光電子器件的研究者都在奮力開發(fā)各種高性能器件，研究其材料及工藝，并取得了豐碩成果。
　　
1.DFB激光器/EA調(diào)制器集成光源
　　
　　DFB激光器/EA調(diào)制器集成光源具有低啁啾、低驅(qū)動電壓(Vpp：2～3v，LiNbO3調(diào)制器的Vpp：4～5v)、低功耗、容易與激光器或其它波導(dǎo)器件集成、耦合損耗低、調(diào)制效率高、且體積小(一般長0.2cm左右，而LiNbO3調(diào)制器長8cm)等優(yōu)點，特別是含有增益耦合的DFB激光器因為具有動態(tài)單模和調(diào)制啁啾小等特性，有助于減小集成器件線寬，而且它還具有較強的抗端面反射能力，從而減小因端面反射引起的啁啾，改善集成器件的啁啾特性等。該光源現(xiàn)已廣泛用于2.5Gbit/s、10Gbit/s等高速傳輸系統(tǒng)，其中2.5Gbit/s DFB激光器/EA調(diào)制器集成器件已成為干線光纖通信系統(tǒng)的主要光源。10Gbit/s、20Gbit/s和40Gbit/s集成器件也正大量用于干線傳輸或傳輸實驗。表1列出了國外研制的主要集成器件的性能。
　　
　　近幾年來對集成有EA調(diào)制器的DFB激光器集成光源的研究主要集中在提高調(diào)制速率和改善其性能等方面。MQW EA調(diào)制器的調(diào)制速度取決于它的電容。縮短調(diào)制器的長度是降低電容的簡單而有效的方法，但如此卻使消光比減小，不利于應(yīng)用。為了解決這一矛盾，將EA調(diào)制器中MQW的阱數(shù)從8個增加到14個，調(diào)制器的長度從250μm縮短到100μm，調(diào)制器的消光特性就會明顯改善(見圖1)。
　　
　　根據(jù)以上原則，用低壓MOVPE技術(shù)生長制成的DFB激光器和EA調(diào)制器集成芯片，并隱埋在Fe摻雜的InP中，以減小電容并形成臺面，使調(diào)制器和激光器之間有隔離槽，并把兩者對接，長度分別為90～250μm和450μm。在此器件中，采用了對接結(jié)構(gòu)和Fe摻雜的隱埋結(jié)構(gòu)，前者可使激光器和調(diào)制器的結(jié)構(gòu)分別最佳，可得到95%以上的高耦合效率，后者具有高功率和高可靠等優(yōu)點。
　　
　　將此集成光源用于40Gbit/s的傳輸實驗時，會發(fā)現(xiàn)：當(dāng)DFB激光器的注入電流為80mA(Ith為8mA)時，模塊的輸出光功率為+5dBm，波長為1.551μm，SMSR為48dB。3dB帶寬大于30GHz，調(diào)制器動態(tài)消光比為10dB;在激光器注入電流為100mA、調(diào)制器加-1V的反偏壓、50℃的環(huán)境中進行高溫工作試驗，經(jīng)5200小時后光輸出功率下降小于20%。
　　
2.波長可調(diào)光源
　　
　　波長可調(diào)光源是WDM網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、光測試系統(tǒng)和快速波長交換等系統(tǒng)的重要光源。目前研究較多的有使用AWG和EDFA的波長可調(diào)AWG環(huán)形激光器、多電極DFB波長可調(diào)激光器和DFB波長可調(diào)激光器等，波長可調(diào)范圍一般都可達到5～10nm，最高可達100nm。 Alcatel公司生產(chǎn)的集成BRS(隱埋脊波導(dǎo))光源工作時可保證波長偏移小于0.02nm/年。
　　
　　能實現(xiàn)寬調(diào)諧的激光器主要有3種，即超周期結(jié)構(gòu)光柵形DBR(SSGDBR)激光器、取樣光柵耦合器反射器(GCSR)激光器和取樣光柵DBR(SGDBR)激光器。它們的CW調(diào)諧范圍都大于40nm，最大可達100nm。其中SGDBR和SSGDBR很容易與調(diào)制器集成。美加州大學(xué)在OFC’99上報道了EA調(diào)制器與寬調(diào)諧激光器的集成。激光器采用SGDBR結(jié)構(gòu)，該集成光源的特性為：Ith為20mA，當(dāng)注入電流為75mA時輸出功率1.2mw，CW可調(diào)范圍為41nm，可產(chǎn)生51個不同的波長信道，信道間隔100GHz，在整個調(diào)諧范圍內(nèi)SMSR>35dB，前后鏡面的最大調(diào)諧電流分別為20.5和23.5mA，當(dāng)偏壓為-4.0V時所有波長上的消光比都大于22dB。
　　
　　為了降低WDM光源的成本，日本NEC公司在一塊晶片上制成了具有不同波長的DFB激光器/調(diào)制器集成光源。該器件的制作工藝有兩大改進，一是采用了最近研制成的電場-大小-變化的電子束光刻技術(shù)，它能將光柵周期控制在0.0012nm范圍內(nèi);二是窄條選擇的MOVPE技術(shù)，可以控制每一信道上激光器有源層和調(diào)制器吸收層的帶隙波長。激光器為MQW結(jié)構(gòu)。所制成的集成器件在1.523μm～1.585μm的波長范圍內(nèi)有40個信道，間隔為200GHz，標(biāo)準(zhǔn)偏差0.39nm。具有很均勻的激射特性和調(diào)制特性，閾值電流10mA，-2V時的消光比為20dB，SMSR大于35dB，注入電流100mA時輸出光功率大于4mw，3dB調(diào)制帶寬為3.8GHz。該器件經(jīng)2.5Gbit/s、600km的光纖傳輸后的功率代價小于1dB。
　　
3.多波長光源
　　
　　目前研究較多的多波長光源主要有如下幾種：使用波導(dǎo)光柵的集成光學(xué)型多波長光源;由N×N波導(dǎo)光柵路由器和半導(dǎo)體放大器陣列集成的多頻激光器;激光器陣列與其它光學(xué)元件集成的多波長光源。其中第一種多波長光源是由混合集成于Si基片上的UV寫入波導(dǎo)光柵和SS-LD構(gòu)成。優(yōu)點是：LD和波導(dǎo)之間直接耦合，無需耦合透鏡，便于大批量生產(chǎn);此外，振蕩波長的溫度依賴性取決于SiO2波導(dǎo)，因此其平均熱系數(shù)為半導(dǎo)體LD的1/8。同時，結(jié)構(gòu)簡單，是用于WDM系統(tǒng)的有希望的光源。
　　
　　由多條波導(dǎo)光柵路由器和放大器陣列集成的多頻激光器與DFB激光器陣列之間的主要差別是：MFL的光諧振腔比較長，接近于F-P模間隔(約3GHz);DFB激光器陣列中單信道的調(diào)制速率比MFL的高，而且其芯片尺寸比MFL的小得多;但DFB激光器的制作工藝比MFL的復(fù)雜，且還難于制成很多的信道波長。這兩種多波長光源各有利弊，在實際應(yīng)用中則根據(jù)經(jīng)濟性和性能的要求折衷考慮。一般來說，系統(tǒng)中信道數(shù)不太多時則用DFB陣列光源，若系統(tǒng)中的信道數(shù)多時則宜用多頻激光器。
　　
　　為了解決DFB陣列激光器中因電、熱干擾引起的波長漂移，日本NTT開發(fā)了一種Si PLC平臺技術(shù)，在此技術(shù)中，利用兩步裝配(assemby)法進行多晶片混合集成。此多波長光源由信道間隔為200GHz的8個DFB-LD和MMI耦合器(用作光功率合成器)組成。用AuSn焊料通過兩步組裝法將LD芯片一齊鍵合在Si臺階上，Si臺階起熱沉的作用。制成的模塊的性能為：各信道的Ith約10mA，當(dāng)注入電流為100mA時光纖輸出功率為0.5mw。對由熱干擾引起的振蕩波長的漂移進行了測量，結(jié)果是振蕩波長僅漂移了0.051nm(即7GHz)。
　　
　　在OFC’99上，美國朗訊Bell實驗室報道了安裝在Si臺階PLC上的混合集成的DFB激光器陣列光源，它由光斑尺寸變換的1.55μm DFB激光器陣列和光斑尺寸變換的半導(dǎo)體光放大器/EA調(diào)制器組成。模塊中還有監(jiān)控Pin PD、波導(dǎo)合成器以及球透鏡等。一起裝在Si PLC上，并經(jīng)由Si-Si波導(dǎo)進行光連接。利用可產(chǎn)生低耦合損耗的雙波導(dǎo)光斑尺寸變換的新技術(shù)和MOCVD等工藝制作。該集成模塊的最小信道間隔為50GHz，恒定偏置條件下的峰值功率在+1.6～-6.2dBm之間，調(diào)制器的小信號帶寬為7GHz，在2.6Vp-p時所有信道的射頻消光比大于13dB，利用該器件可實現(xiàn)16ch×2.5Gbit/s的傳輸。

4.光接收器件
　　
　　光接收器件是高速大容量傳輸系統(tǒng)中必不可少的器件，對其研究從未間斷，其中日本尤為突出，速率為2.5Gbit/s、10Gbit/s的接收器件已實用化，最高研制速率為100Gbit/s。低成本、塑料光纖LAN用和光接入系統(tǒng)用的2.5Gbit/s的收、發(fā)模塊等也已研制成功，已可滿足高速大容量干線系統(tǒng)、中短距離等傳輸系統(tǒng)的需求。
　　
　　日本NEC公司研制成可用于光接入系統(tǒng)、干線系統(tǒng)的波導(dǎo)型光電二級管。與常規(guī)表面受光的光電二極管相比，波導(dǎo)型光電二極管具有適于表面安裝、成本低、在低偏壓情況下量子效率高和在高速響應(yīng)時可實現(xiàn)高量子效率等優(yōu)點。該器件的特性是：波長1.55μm時，外量子效率為77%;Pn結(jié)電容非常小，約30fF;3dB截止頻率為41GHz，用于40Gbit/s光接收機中具有足夠的帶寬。
　　
　　日本電氣公司研制的InGaAs四元量子阱臺面型及平面型SL(超晶格)-APD可用于10Gbit/s系統(tǒng)。P-InAlGaAs光吸收層、n-InGaAs/InAlAs超晶格倍增層及P+-InP緩沖層為其基本結(jié)構(gòu)。臺面型器件的特點是采用聚酰亞胺鈍化工藝，容易操作;而平面型器件是采用Ti離子注入保護環(huán)結(jié)構(gòu)，特點是可靠性高，但它的暗電流比臺面型器件的稍大。
　　
　　為了使器件結(jié)構(gòu)最佳，需考慮的因素如下：10Gbit/s系統(tǒng)要求所用器件的增益帶寬乘積在120GHz以上，根據(jù)超晶格倍增層厚度與增益帶寬乘積的關(guān)系，倍增層厚度應(yīng)小于0.25μm。由于倍增層薄，倍增上升時間縮短而得到高速特性。但在實際的器件中，當(dāng)倍增層薄時，隨著倍增電場強度增加，隧道電流明顯增加，因此，倍增層厚度不能小于0.23μm;根據(jù)光吸收層厚度與量子效率η和最小接收靈敏度的關(guān)系，為了提高量子效率和接收靈敏度，光吸收層的厚度應(yīng)在1～1.5μm之間;根據(jù) P+-InP緩沖層的載流子濃度與GB乘積的關(guān)系，為了抑制由InP引起的有效離化率比的干擾，10Gbit/s系統(tǒng)用的器件要求其P濃度大于5×1017cm-3(層厚70nm以下)，InP緩沖層的作用是控制InGaAs光吸收層的外加電場。因為最佳外加電場為50kv/cm～100kv/cm，所以濃度必須嚴(yán)格控制在±2%以內(nèi)。根據(jù)以上因素，采用能精確控制層厚的生長技術(shù)和自擴散小的Be作P型摻雜劑制作的聚酰亞胺臺面型和Ti離子注入保護環(huán)結(jié)構(gòu)的平面型MQW SL-APD的特性列于表2。
　　
　　近期NTT報道的一種UTC-PD的3dB頻帶為152GHz，是目前長波長PD中的最高水平，具有可接收100Gbit/s光信號的性能。該器件具有高速、高飽和輸出、低偏壓工作等優(yōu)點，用作40Gbit/s光接收端時不使用寬帶電放大器便可得到良好的誤碼特性。該器件的用途很廣，與其它器件一起可構(gòu)成光解復(fù)用器、波長轉(zhuǎn)換器、光變換器等，將它作為光驅(qū)動器與其它光電器件集成在一起可用于經(jīng)濟、穩(wěn)定的超高速信號處理。
　　
5.集成模塊
　　
　　為滿足大容量接入網(wǎng)、寬帶業(yè)務(wù)等對低成本、小型器件的需求，C&C Media研究所研制成以PLC技術(shù)為基礎(chǔ)的高速收發(fā)模塊。此模塊的特點是使用了PLC、SL-APD和一塊3R-IC芯片，可減小體積、降低成本。模塊中的SL-APD在2.5Gbit/s時接收靈敏度高，量子效率為60%，部分光柵波導(dǎo)激光器在2.5Gbit/s下行傳輸時可產(chǎn)生大于+6dBm的輸出。。為了保持低功耗，IC電源為3.3V，芯片用Si雙極性工藝制成，fT=40GHz，體積為2×3mm，最小接收靈敏度為-24.2dBm，時鐘抖動為6.4ps，功耗低至450mw，O/E轉(zhuǎn)換總效率(Y支損耗除外)為34%。
　　
　　用于LAN的1.3μm波段，2.5Gbit/s的光收、發(fā)模塊也已研制成功，根據(jù)高耦合效率、高速、低成本的原則進行設(shè)計。塑料光纖與LD的耦合損耗為1.0dB，與PIN-PD的耦合損耗為0.3dB。發(fā)送模塊的消光比為8dB，輸出光功率為-2dBm;接收模塊在BER=10-10時的最小光接收功率為-21.2dBm，消光比為20dB。
　　
　　HP公司的商用混合集成模塊速率為2.5Gbit/s，采用雙纖方案，連同連接器的成本可能比單纖雙向所用的光濾波器便宜。發(fā)送采用單模光纖，接收采用多模光纖，這樣有利于耦合。模塊的襯底是高分子聚合物材料。為了降低成本，模塊不用致冷器和隔離器?，F(xiàn)已有價格可低于100美元的10Gbit/s模塊出售。
　　
　　6.收發(fā)器件的發(fā)展方向
　　
　　用于WDM系統(tǒng)的波長可控光源、波長可調(diào)光源和多波長光源是研究重點，縮小波長間隔是發(fā)展的必然，其波長間隔將是現(xiàn)在(100GHz)的1/2或1/3;進一步開發(fā)集成的光電子器件，特別是用于超寬帶接入網(wǎng)中的低成本廉價的PIC、OEIC器件。
　　
　　由于光纖激光器具有輸出功率高(單模輸出大于10mw)、相對強度噪聲低、線寬極窄(<2.5kHz)、調(diào)諧范圍寬(可達50nm)、輸出穩(wěn)定性高以及與光纖的兼容性好等優(yōu)點，近期發(fā)展很快，很受重視。
　　
　　對于光接收器件，通過對可用于10Gbit/s系統(tǒng)的SL-APD和背面受光PD的研究，開展諸如APD/PD超高速器件之類的研究和光的3R器件研究，用于長距離網(wǎng)絡(luò)，用于100個信道量級的光探測器和電子電路的混合集成器件，以及光探測器和電子器件的OEIC陣列器件是技術(shù)的焦點。隨著網(wǎng)絡(luò)分支數(shù)的增加、傳輸距離的延長，需開發(fā)低壓APD和電子電路集成器件，以降低功耗，實現(xiàn)高可靠工作。