基于rec技术的集成高速数字调制wdm-pon光模块的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光电子技术领域，涉及光通信、光网络等方面。与分布反馈半导体激光 器、光子集成器件、波分复用器件有关，涉及复杂分布反馈器件的设计与制作，新型光子集 成器件的制作，应用于光纤骨干网络扩容、大容量光纤传输和各类WDM-P0N系统中，是一种 新型的光通信器件。
【背景技术】
[0002] 波分复用（WavelengthDivisionMultiplexing,WDM)技术是下一代光纤通信网 中的一个关键技术，可以极大提高现有光纤通信网络的数据容量。在WDM通信系统中，能够 高速调制的多波长激光光源是核心器件之一。多波长激光光源虽然可以通过将不同波长 的分立激光器组合在一起获得，但如此组合的器件往往体积大，功耗高。随着下一代光纤 通信系统对器件尺寸和功耗的要求不断提升，传统分立器件已难以满足系统要求。单片集 成光子器件在减小体积和功耗方面有很大的优势，被认为是未来光电子器件的重要发展趋 势，是未来信息技术的制高点之一，受到广泛的重视。目前，国外已有集成的WDM光子器件 向市场提供。如著名的光子集成器件制造商，美国的Infinare公司，已能够提供lOXIOGb/ s的单片集成光接收和发射模块的商用产品，日本三菱公司也有集成的4X25Gb/s多波长高 速光子集成芯片产品。要为下一代光通信网络的万亿比特的数据链路提供光子芯片，满足 WDM应用要求的高速多波长集成光子芯片是不可或缺的。
[0003] 用不同波长的π相移DFB激光器制作的多波长激光器阵列对于实现这样的单片 集成器件十分重要：相比于F-P腔激光器或均匀光栅DFB激光器，π相移DFB激光器具有 线宽窄、单模成品率高、动态单模特性好的优势，广泛应用于高速调制的光纤通信系统中。 但要将普通的η相移DFB激光器单片集成制作成满足WDM通信系统需求的激光器阵列 却十分困难：首先，由于不同波长对应着不同的光栅周期，常规多波长DFB激光器阵列的 光栅结构不可能通过整体全息光刻的方式制作，而需要通过电子束光刻（ElectronBeam Lithography，EBL)这种高精度加工方式逐个制作光栅，耗时很长，成本较高；此外更重要 的是，普通的η相移DFB激光器阵列的输出波长间隔的准确性很难满足ITU-T密集波分复 用要求。这主要是因为相邻通道的光栅尺寸差异很小，如在1550nm波段，满足ITU-T标准 的100GHz通道间隔π相移DFB激光器阵列，相邻激光器的相移结构尺寸差异仅为0. 13nm， 是原子尺寸的量级。普通η相移多波长DFB激光器阵列要使波长间隔准确，就需要在光 栅中精细的做出这个尺寸差异，但这在现有技术的条件下极难实现。研究表明，使用EBL 制作的DFB激光器，波长的典型偏差是~3nm(MarcoZanola,MichaelJohnStrain,Guido Giuliani,andMarcSorel, ^Post-GrowthFabricationofMultipleWavelengthDFB LaserArraysWithPreciseWavelengthSpacing,〃IEEEPhotonicsTechnologyLetter s,vol. 24,pp. 1063-1065, 2012.)，制作 100GHz间隔（在 1550nm波段对应 0· 8nm波长间隔） 的多波长阵列的成品率低，成本高。
[0004] 在2004年，一种新型的DFB光栅结构，即重构-等效啁嗽 (Reconstruction-EquivalentChirp，REC)光概技术的提出（D.Jiang,X.Chen,Y.Dai,Η·Liu,andS.Xie,〃ANovelDistributedFeedbackFiberLaserBasedonEquivalent PhaseShift,"IEEEPhotonicsTechnologyLetters,vol. 16,pp. 2598-2600, 2004.)，为 高性能多波长激光器阵列的制作提供了一种有效的手段。REC技术由南京大学陈向飞教授 发明，已获得美国专利授权：US7873089B2,该技术通过周期较大的采样光栅调整均匀光栅 的滤波特性，通过在采样光栅中改变周期、引入相移，可以等效的实现η相移DFB光栅结 构的选频效果，并调整激射光波长。使用REC技术的DFB激光器阵列中的所有激光器可以 采用相同的亚微米均匀光栅，通过设计不同周期的采样光栅来实现激射波长的改变，而采 样光栅的尺寸通常在数微米，完全可以通过常规的光刻工艺一次制作完成，耗时较少，成本 很低，有利于低成本大规模的制造。此外，理论研究证明，使用REC技术的阵列波长间隔误 差比电子束曝光技术制作的阵列波长误差低2个量级（YuechunShi，SiminLi，Lianyan Li,RenjiaGuo,TingtingZhang,RuiLiu,etal.，''StudyoftheMultiwavelength DFBSemiconductorLaserArrayBasedontheReconstruction-Equivalent-Chirp Technique，"JournalofLightwaveTechnology，vol.31，pp. 3243-3250, 2013·)，可以 实现高精度的多波长激光器阵列制造，克服了之前的阵列制造技术中几乎不可能解决的 问题。实验研究表明，使用REC技术的π相移DFB激光器单模成品率接近100%，波长 间隔典型误差已能达到在 ±0. 2nm范围内（Y.Shi,S.Li,X.Chen,L.Li,J.Li,T.Zhang,et al.，"Highchannelcountandhighprecisionchannelspacingmulti-wavelength laserarrayforfuturePICs，"SciRep,vol.4，p. 7377,2014·)。但ITU-T最新关于 DWDM-PON的标准对波长间隔误差的要求是 ±20GHz(T-REC-G. 989. 2-201311-PMDDraft vl，pp28-29, 2013.)，在1550nm波段，约为±0. 16nm，因此需要进一步提高REC多波长激光 器阵列波长精度。
[0005] 除了多波长之外，高速的数字信号调制也是WDM光器件需要具备的。信号的调制 可以通过直接将信号加载到激光器的驱动电流上实现，也可以通过额外的调制原件，将信 号加载到连续工作的激光输出上。前者被称作直接调制，后者被称作外调制。直接调制不 需要额外的元件，有利于降低成本和体积。但由于调制会引起激光器的频率啁嗽，高速的直 调需要特殊的材料和光栅结构的设计制作，在国内现有工艺条件下短时间内难以实现。外 调制系统中激光器是静态工作，输出功率、波长比动态下更加稳定，外调制器工作时不会影 响激光器的状态，可以达到比直调更高的调制频率，在长距离传输系统中也更具有优势。采 用单片集成的外调制元件，器件的尺寸不会增加太多，比直调激光器具有更好的调制性能， 是实现高速数字调制WDM-P0N器件的一种可行的设计。
[0006] 在InP基半导体激光器中，可以用于单片集成的外调制器主要有电吸收调 制器（Electro Absorption Modulator, EAM)和马赫-曾德干涉器（Mach-Zehnderl nterferometer，MZI)。EAM调制器通过外电压偏置改变材料的吸收率形成调制光信 号，最早在1973年由F.K. Reinhart提出（F.K. Reinhart, "Electroabsorption in Aly Gal-y As [Single Bond]Alx Gal_x As double heterostructures,^Applied Physics Letters, vol. 22, p. 372, 1973.)，在研究中已实现了1550nm