可调采样光栅DBR激光器10Gb/s调制器

2019-11-03 18:24:51

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供稿：网友

　　摘要：我们报道的是一种整合了马赫-曾德（Mach-Zehnder）调制器、半导体光放大器以及采样光栅DBR激光器的单片发射器芯片。并在标准光纤上进行了10Gb/s的100公里传输演示，演示中的可调范围超过30nm。

　　关键词：马赫-曾德（Mach-Zehnder）调制器光放大器采样光栅DBR激光器

1、前言

　　一个紧凑的，高性能的宽范围可调集成激光器/调制器芯片通常是一个可调发射器的关键器件。而可调发射器的出现可有效降低大容量DWDM网络铺设和运行的门槛。目前已经有数项可调激光技术被用于2.5Gb/s甚至更高速率的电吸收（EA）调制器上[1-3]。尽管那些基于EA调制器的集成发射器已经成功应用于城域网络中，不过其在10G长途传输市场的表现却不尽人意。EA调制器的主要缺陷表现在消光比(ER)和啁啾的波长相关性以及性能与插入损耗之间的妥协，与EA调制器形成鲜明对比的是，马赫-曾德调制器可以在不增加额外损耗的情况下在很宽的波长范围内精确控制消光比和啁啾[4]。器件制造商一直想通过将一个可调激光器与一个铌酸锂或III-V MZ调制器封装在一起的方式把可调发射器的成本和尺寸降至最小[5]。采用这种封装技术的好处是有可能单独地挑选激光器和调制器芯片的规格，以确保激光器和调制器之间的光学和电子隔离。无论如何，仅仅通过将激光器和MZ调制器整合在一块就能有效地减少封装复杂性，成本以及尺寸的想法是可以实现的。最近有报道显示人们曾在单一模块上集成了非常狭小的增益耦合DFB激光器以及III-V MZ调制器，当中演示了集成的可行性，其在2.5G与10Gb/s速率下表现的系统性能被认为是可以接受的 [6]。

　　在本文中我们想跟大家探讨一种宽带可调发射器芯片的设计和实现途径，这种发射器芯片是通过将一个采样光栅DBR激光器（SG-DBR）、一个半导体光放大器（SOA）以及一个MZ调制器(MZM)单片集成的方式实现的。通过调节MZM两个悬臂上的驱动电压就可以获得零啁啾或负啁啾。在演示过程中，我们也在标准单模光纤上进行了100公里的10G无误码传输，期间波长可调范围达到了30nm，据我们了解，这是业界首次进行这方面的演示（指的是一个宽范围可调激光器单片集成一个调制器的实验）。

2、器件的设计与制作

　　如图1所示，这种器件包含了一个四段SG-DBR激光器，一个SOA以及一个MZM，所有这些部件均集成在一个InP芯片上。所集成的SOA被用来补偿on-state调制器损耗以及在调谐区域自由载流子吸收所引发的空穴损耗，同时允许波长独立于功率电平，支持波长转换过程中的光束间隔（beam blanking），以及可调光衰减器功能。而MZ调制器则包含了两个多模接口（MMI）、弯曲波导以及400um长的块状电极。激光器和SOA有源区与调制部分的整合是通过一种偏移量子阱结构来实现的[7]。在这种简单的集成技术里，调制器的有源区域采用的是跟激光器可调有源区域一样的大量四元波导。这些波导的成分被优化以帮助激光器获得较高的调谐效率，同时也让调制器获得基于所需宽光谱带宽的Vp。这种器件采用shallow-ridge技术来制作，从而确保获得低的光反射率，这比那些deep-ridge技术要好的多，原因是shallow-ridge结构减少了波导与MMI之间的阶变(step-index)[8]。在器件的输出部分采用了一个有角度波导以及一层宽带增透膜，以抑制面反馈（facet feedback）。

3、结论与讨论

　　要制作的器件与共平面波导和综合匹配电阻一起安装在陶瓷载具上。为了要进行传输测试，这个芯片级载具要与一个共面RF输入端一起安装进一个制冷蝶型模块中。

　　SG-DBR-SOA-MZM芯片的输出功率与波长的关系见图2a。在本次测试中，名义上的P相位移MZM在两个悬臂之间有偏移地产生了0弧度的微分相位移。这款集成芯片在C波段的40nm调谐范围内产生的功率均超过15mW。图2b显示了一个封装好的SG-DBR-SOA-MZM在C波段三个波长上的标准传输特性。在电压低于3.3 V.的情况下DC ER均超过了20dB。我们在peak-to-peak调制电压小于3V的情况下测试单端驱动结构RF ER的结果是在整个40nm调谐范围里都为12dB（见图2c）。

图略

　　图2 a)在可调范围内的SG-DBR-SOA-MZM输出功率图 b)三波长下的标准传输特性曲线 c)在单端驱动结构里的RF ER 和3 dB alpha参数。

　　要使这种集成化SG-DBR-SOA-MZM发射器在很宽的波长范围内获得一致的传输性能的关键是要消除光学和电子串扰，并能精确控制调制器的瞬时啁啾。对这种集成芯片的时分啁啾性能的测量证实了那些由光反馈或电子串扰所引发的外部啁啾成分是可以完全被消除的。而剩下的啁啾成分则属于瞬时啁啾，这些瞬时啁啾是由调制器的设计与驱动条件所决定的。p-i-n InP MZ调制器的瞬时啁啾是调制器活性材料的基本光电属性，两MMI接口的分光比，两个悬臂间的微分相移以及加载于每个调制悬臂上的调制电压模式等等因素影响的电光特性函数[9]，这就为优化器件性能提供了弹性空间，我们由此可以在很宽波段内获得零啁啾或负啁啾。图2c显示了波长与3dB alpha参数之间的相互关系。在整个调谐范围内啁啾都被稳定在-0.74+/- 0.1。

图略

　　图3a)单驱动和双驱动结构的输出眼图 b)在0和100公里标准单模光纤跨度下三种不同波长的比特误码曲线(10 Gb/s NRZ, 221-1 PRBS)。

　　图3a显示了一个p-shifted MZM在双端驱动或单端驱动结构下的10 Gb/s输出和发射眼图。RF ER为12 dB时的最大peak-to-peak调制电压分别为1.5（双端驱动）和3V（单端驱动）。双驱动的时候会导致零啁啾，单驱动的情况会产生负啁啾。我们分别取信号在标准非色散位移光纤传输50公里（零啁啾）和100公里（负啁啾）后的眼图进行测试，结果显示这种集成芯片完全可以满足10Gb/s传输的严苛要求。在负啁啾配置中我们对C波段三个波长进行了back-to-back和100公里BER曲线测量，这三个波长分别是1535nm，1544nm以及1563nm。BER数据展现在图3b中，该图显示了色散为1600-1800 ps/nm，1535-1563 nm波段的无误码传输情况。而对更长传输距离色散罚值的评估目前还在进行当中。

4、总结

　　在本文中，我们演示了一个宽带可调10Gb/s发射器芯片，该芯片集成了一个SG-DBR激光器，一个SOA以及一个MZ调制器。经测试发现在调制电压低于3V的情况下该芯片的RF消光比大于12dB，在整个40nm的调谐范围内可获得稳定的负啁啾，同时也演示了在标准单模光纤上进行了100公里的10Gb/s无误码传输，结果显示该芯片完全满足10G传输的要求。

5. 参考文献[1] J.E. Johnson, L.J.-P. Ketelsen, D.A. Ackerman, Zhang Liming, M.S. Hybertsen, K.G. Glogovsky, C.W. Lentz, W.A. Asous, C.L. Reynolds, J.M. Geary, K.K.; Kamath, C.W. Ebert, M. Park, G.J. Przybylek, R.E. Leibenguth, S.L. Broutin, and J.W. Stayt, Jr, “Fully stabilized electroabsorption-modulated tunable DBR laser transmitter for long -haul optical communications “, IEEE J. Select. Topics Quantum Electron., 7,168 -177 (2001).

[2] T. Marimoto, K. Yashiki, K. Kudo, and T. Sasaki, “Wavelength -selectable microarray light sources for DWDM photonics networks”, IEICE Trans. Electron., E85-C, 982-989 (2002).

[3] Y.A. Akulova, G.A. Fish, Ping-Chiek Koh, C.L. Schow, P. Kozodoy, A.P. Dahl, S. Nakagawa, M.C. Larson, M.P. Mack, T.A. Strand, C.W. Coldren, E. Hegblom, S.K. Penniman, T. Wipiejewski, L.A. Coldren, “ Widely tunable electroabsorption-modulated sampled-grating DBR laser transmitter”, IEEE J. Select. Topics Quantum Electron., 8, 1349 -1357 (2002).

[4] J.S. Barton, E.J. Skogen, M.L. Masanovic, S.P. DenBaars, L.A. Coldren, “Tailorable chirp using integrated Mach-Zehnder modulators with tunable sampled grating distributed Bragg reflector lasers”, Proc. IEEE 18th International Semiconductor Laser Conference, 49 –50 (2002).

[5] R. A. Griffin, R. I Johnstone, R. G. Walker, J. Hall, S. D. Wadsworth, K. Berry, A. C. Carter, M. J. Wale, J. Hughes, P. A. Jerram, and N. J. Parsons, “10Gb/s optical differential quadrature phase shift key (DQPSK) transmission using GaAs/AlGaAs Integration”, OFC’02, FD6-1 (2002).

[6] C. Rolland, “InGaasp-based Mach-Zehnder modulators for high-speed transmission systems”, OFC Technical Digest, 283 –284 (1998).

[7] B. Mason, G. A. Fish, S. P DenBaars, and L. A. Coldren, “Widely tunable sampled grating DBR laser with integrated electroabsorption modulator”, IEEE Photn. Technol. Lett., 11, 638-40 (1999).

[8] S. Lovisa, N. Bouche, H. Helmers, Y. Heymes, F. Brillouet, Y. Gottesman, K. Rao, “Integrated laser Mach-Zehnder modulator on indium phosphide free of modulated-feedback”, IEEE Photon. Technol. Lett. , 13, 1295 -1297 (2001).

[9] C. Lawetz, J.C. Cartledge, C. Rolland, J. Yu, “Modulation characteristics of semiconductor Mach-Zehnder optical modulators”, J. of Lightwave Technol., 15, 697-703 (1997).

摘自　光纤新闻网

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