高速光通信用的光电子器件的进展

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1、人类社会的信息化建设正在加速进行，即使是在全球经济发展不景气的情况下，通信和信息 行业也十分红火。光通信呈现着蓬勃发展的新局面，正朝着高速、超高速光纤传输、超大容 量的 WDM、OTDM 以及全光网等方向发展。但这些系统的实现还依赖于相应的光电子技术 的进步。一系列的光电子器件将在未来的通信网中起着重要的作用，因而各国从事光电子器 件的研究者都在奋力开发各种高性能器件，研究其材料及工艺，并取得了丰硕成果。1.DFB 激光器 /EA 调制器集成光源DFB激光器/EA调制器集成光源具有低啁啾、低驱动电压（Vpp： 23v, LiNbO3调制 器的Vpp： 45v）、低功耗、容易与激光器或其它波导器

2、件集成、耦合损耗低、调制效率高、 且体积小（一般长0.2cm左右，而LiNbO3调制器长8cm）等优点，特别是含有增益耦合的DFB 激光器因为具有动态单模和调制啁啾小等特性,有助于减小集成器件线宽,而且它还具有较 强的抗端面反射能力，从而减小因端面反射引起的啁啾，改善集成器件的啁啾特性等。该光 源现已广泛用于2.5Gbit/s、10Gbit/s等高速传输系统，其中2.5Gbit/s DFB激光器/EA调制器 集成器件已成为干线光纤通信系统的主要光源。10Gbit/s、20Gbit/s和40Gbit/s集成器件也 正大量用于干线传输或传输实验。表1列出了国外研制的主要集成器件的性能。近几年来对集

3、成有 EA 调制器的 DFB 激光器集成光源的研究主要集中在提高调制速率 和改善其性能等方面。MQWEA调制器的调制速度取决于它的电容。缩短调制器的长度是 降低电容的简单而有效的方法，但如此却使消光比减小，不利于应用。为了解决这一矛盾， 将EA调制器中MQW的阱数从8个增加到14个，调制器的长度从250ym缩短到100pm, 调制器的消光特性就会明显改善（见图1）。根据以上原则，用低压MOVPE技术生长制成的DFB激光器和EA调制器集成芯片， 并隐埋在 Fe 掺杂的 InP 中，以减小电容并形成台面，使调制器和激光器之间有隔离槽，并 把两者对接，长度分别为90250pm和450pm。在此器件中

4、，采用了对接结构和Fe掺杂的 隐埋结构，前者可使激光器和调制器的结构分别最佳，可得到 95%以上的高耦合效率，后 者具有高功率和高可靠等优点。将此集成光源用于 40Gbit/s 的传输实验时，会发现：当 DFB 激光器的注入电流为 80mA（Ith为8mA）时，模块的输出光功率为+5dBm,波长为1.551pm，SMSR为48dB。3dB 带宽大于30GHz,调制器动态消光比为10dB;在激光器注入电流为100mA、调制器加-1V的 反偏压、50C的环境中进行高温工作试验，经5200小时后光输出功率下降小于20%。2.波长可调光源波长可调光源是 WDM 网络系统、光测试系统和快速波长交换等系统

5、的重要光源。目 前研究较多的有使用AWG和EDFA的波长可调AWG环形激光器、多电极DFB波长可调 激光器和DFB波长可调激光器等，波长可调范围一般都可达到510nm,最高可达100nm。 Alcatel公司生产的集成BRS（隐埋脊波导）光源工作时可保证波长偏移小于0.02nm/年。能实现宽调谐的激光器主要有3种，即超周期结构光栅形DBR（SSGDBR）激光器、取样 光栅耦合器反射器（GCSR）激光器和取样光栅DBR（SGDBR）激光器。它们的CW调谐范围都 大于40nm,最大可达100nm。其中SGDBR和SSGDBR很容易与调制器集成。美加州大学 在 OFC99 上报道了 EA 调制器与宽

6、调谐激光器的集成。激光器采用 SGDBR 结构，该集成 光源的特性为：th为20mA,当注入电流为75mA时输出功率1.2mw,CW可调范围为41nm, 可产生51个不同的波长信道，信道间隔100GHz,在整个调谐范围内SMSR35dB,前后镜 面的最大调谐电流分别为20.5和23.5mA，当偏压为-4.0V时所有波长上的消光比都大于 22dB。为了降低WDM光源的成本，日本NEC公司在一块晶片上制成了具有不同波长的DFB 激光器/调制器集成光源。该器件的制作工艺有两大改进,一是采用了最近研制成的电场-大 小-变化的电子束光刻技术,它能将光栅周期控制在0.0012nm 范围内 ;二是窄条选择的

7、MOVPE 技术,可以控制每一信道上激光器有源层和调制器吸收层的带隙波长。激光器为 MQW结构。所制成的集成器件在1.523ym1.585ym的波长范围内有40个信道，间隔为 200GHz,标准偏差0.39nm。具有很均匀的激射特性和调制特性，阈值电流10mA, -2V时 的消光比为20dB, SMSR大于35dB，注入电流100mA时输出光功率大于4mw, 3dB调制 带宽为3.8GHz。该器件经2.5Gbit/s、600km的光纤传输后的功率代价小于1dB。3. 多波长光源目前研究较多的多波长光源主要有如下几种：使用波导光栅的集成光学型多波长光源; 由NxN波导光栅路由器和半导体放大器阵列

8、集成的多频激光器;激光器阵列与其它光学元件 集成的多波长光源。其中第一种多波长光源是由混合集成于Si基片上的UV写入波导光栅 和SS-LD构成。优点是：LD和波导之间直接耦合，无需耦合透镜，便于大批量生产;此外， 振荡波长的温度依赖性取决于SiO2波导，因此其平均热系数为半导体LD的1/8。同时，结 构简单，是用于WDM系统的有希望的光源。由多条波导光栅路由器和放大器阵列集成的多频激光器与DFB激光器阵列之间的主要 差别是：MFL的光谐振腔比较长，接近于F-P模间隔（约3GHz）;DFB激光器阵列中单信道的 调制速率比MFL的高，而且其芯片尺寸比MFL的小得多;但DFB激光器的制作工艺比MFL

9、 的复杂，且还难于制成很多的信道波长。这两种多波长光源各有利弊，在实际应用中则根据 经济性和性能的要求折衷考虑。一般来说，系统中信道数不太多时则用DFB阵列光源，若 系统中的信道数多时则宜用多频激光器。为了解决DFB阵列激光器中因电、热干扰引起的波长漂移，日本NTT开发了一种Si PLC 平台技术，在此技术中，利用两步装配（assemby）法进行多晶片混合集成。此多波长光源由 信道间隔为200GHz的8个DFB-LD和MMI耦合器（用作光功率合成器）组成。用AuSn焊 料通过两步组装法将LD芯片一齐键合在Si台阶上，Si台阶起热沉的作用。制成的模块的 性能为：各信道的Ith约10mA，当注入电

10、流为100mA时光纤输出功率为0.5mw。对由热干 扰引起的振荡波长的漂移进行了测量，结果是振荡波长仅漂移了 0.051nm（即7GHz）。在OFC99上，美国朗讯Bell实验室报道了安装在Si台阶PLC上的混合集成的DFB 激光器阵列光源，它由光斑尺寸变换的1.55gm DFB激光器阵列和光斑尺寸变换的半导体光 放大器/EA调制器组成。模块中还有监控Pin PD、波导合成器以及球透镜等。一起装在Si PLC 上，并经由Si-Si波导进行光连接。利用可产生低耦合损耗的双波导光斑尺寸变换的新技术 和MOCVD等工艺制作。该集成模块的最小信道间隔为50GHz，恒定偏置条件下的峰值功 率在+1.6-

11、6.2dBm之间，调制器的小信号带宽为7GHz,在2.6Vp-p时所有信道的射频消光4.光接收器件比大于13dB，利用该器件可实现16chx2.5Gbit/s的传输。光接收器件是高速大容量传输系统中必不可少的器件，对其研究从未间断，其中日本尤 为突出，速率为2.5Gbit/s、10Gbit/s的接收器件已实用化，最高研制速率为100Gbit/s。低成 本、塑料光纤LAN用和光接入系统用的2.5Gbit/s的收、发模块等也已研制成功，已可满足 高速大容量干线系统、中短距离等传输系统的需求。日本 NEC 公司研制成可用于光接入系统、干线系统的波导型光电二级管。与常规表面 受光的光电二极管相比，波导

12、型光电二极管具有适于表面安装、成本低、在低偏压情况下量 子效率高和在高速响应时可实现高量子效率等优点。该器件的特性是：波长1.55ym时，外 量子效率为77%;Pn结电容非常小，约30fF;3dB截止频率为41GHz，用于40Gbit/s光接收 机中具有足够的带宽。日本电气公司研制的InGaAs四元量子阱台面型及平面型SL（超晶格）-APD可用于 10Gbit/s系统。P-InAlGaAs光吸收层、n-InGaAs/InAlAs超晶格倍增层及P+-InP缓冲层为其 基本结构。台面型器件的特点是采用聚酰亚胺钝化工艺，容易操作;而平面型器件是采用 Ti 离子注入保护环结构，特点是可靠性高，但它的暗

13、电流比台面型器件的稍大。为了使器件结构最佳，需考虑的因素如下： 10Gbit/s 系统要求所用器件的增益带宽乘积 在120GHz以上，根据超晶格倍增层厚度与增益带宽乘积的关系，倍增层厚度应小于0.25ym。 由于倍增层薄，倍增上升时间缩短而得到高速特性。但在实际的器件中，当倍增层薄时，随 着倍增电场强度增加，隧道电流明显增加，因此，倍增层厚度不能小于0.23gm根据光吸收 层厚度与量子效率n和最小接收灵敏度的关系，为了提高量子效率和接收灵敏度，光吸收层 的厚度应在11.5gm之间;根据P+-InP缓冲层的载流子浓度与GB乘积的关系，为了抑制 由InP引起的有效离化率比的干扰,10Gbit/s系

14、统用的器件要求其P浓度大于5x1017cm-3（层 厚 70nm 以下）， InP 缓冲层的作用是控制 InGaAs 光吸收层的外加电场。因为最佳外加电场 为50kv/cm100kv/cm,所以浓度必须严格控制在2%以内。根据以上因素，采用能精确控 制层厚的生长技术和自扩散小的Be作P型掺杂剂制作的聚酰亚胺台面型和Ti离子注入保护 环结构的平面型MQW SL-APD的特性列于表2。近期NTT报道的一种UTC-PD的3dB频带为152GHz，是目前长波长PD中的最高水 平，具有可接收 100Gbit/s 光信号的性能。该器件具有高速、高饱和输出、低偏压工作等优 点，用作 40Gbit/s 光接收

15、端时不使用宽带电放大器便可得到良好的误码特性。该器件的用途 很广，与其它器件一起可构成光解复用器、波长转换器、光变换器等，将它作为光驱动器与 其它光电器件集成在一起可用于经济、稳定的超高速信号处理。5. 集成模块为满足大容量接入网、宽带业务等对低成本、小型器件的需求， C&C Media 研究所研 制成以PLC技术为基础的高速收发模块。此模块的特点是使用了 PLC、SL-APD和一块3R-IC 芯片，可减小体积、降低成本。模块中的 SL-APD 在 2.5Gbit/s 时接收灵敏度高，量子效率 为60%，部分光栅波导激光器在2.5Gbit/s下行传输时可产生大于+6dBm的输出。为了保持 低功

16、耗，IC电源为3.3V，芯片用Si双极性工艺制成，fT=40GHz，体积为2x3mm,最小接 收灵敏度为-24.2dBm,时钟抖动为6.4ps，功耗低至450mw, O/E转换总效率（Y支损耗除外）为 34% 。用于LAN的1.3“m波段，2.5Gbit/s的光收、发模块也已研制成功，根据高耦合效率、 高速、低成本的原则进行设计。塑料光纤与LD的耦合损耗为l.OdB，与PIN-PD的耦合损 耗为O.3dB。发送模块的消光比为8dB,输出光功率为-2dBm;接收模块在BER=10-10时的最 小光接收功率为-21.2dBm,消光比为20dB。HP公司的商用混合集成模块速率为2.5Gbit/s，采

17、用双纤方案，连同连接器的成本可能 比单纤双向所用的光滤波器便宜。发送采用单模光纤，接收采用多模光纤，这样有利于耦合。 模块的衬底是高分子聚合物材料。为了降低成本，模块不用致冷器和隔离器。现已有价格可 低于100美元的10Gbit/s模块出售。6.收发器件的发展方向用于 WDM 系统的波长可控光源、波长可调光源和多波长光源是研究重点，缩小波长 间隔是发展的必然，其波长间隔将是现在(100GHz)的1/2或1/3;进一步开发集成的光电子器 件，特别是用于超宽带接入网中的低成本廉价的 PIC、 OEIC 器件。由于光纤激光器具有输出功率高(单模输出大于10mw)、相对强度噪声低、线宽极窄 (2.5kHz)、调谐范围宽(可达50nm)、输出稳定性高以及与光纤的兼容性好等优点，近期发 展很快，很受重视。对于光接收器件，通过对可用于10Gbit/s系统的SL-APD和背面受光PD的研究，开展 诸如APD/PD超高速器件之类的研究和光的3R器件研究，用于长距离网络，用于100个信 道量级的光探测器和电子电路的混合集成器件，以及光探测器和电子器件的 OEIC 阵列器件 是技术的焦点。随着网络分支数的增加、传输距离的延长，需开发低压APD和电子电路集 成器件，以降低功耗，实现高可靠工作。