江苏激光联盟导读：

中国科学院半导体研究所光子集成技术研究组陆丹研究员、赵玲娟研究员受邀撰写《通信波段半导体分布反馈激光器》综述论文，并作为内封面文章发表。论文以不同领域的应用需求为线索，对通信波段DFB激光器的设计与进展进行了综述，内容涵盖高速直调DFB激光器、大功率DFB激光器、窄线宽DFB激光器与低相对强度噪声（RIN）DFB激光器等几种重要光源芯片。

本专题全部论文：

///Columns/zt_zgjg/

内封面文章|陆丹,杨秋露,王皓,贺一鸣,齐合飞,王欢,赵玲娟,王圩. 通信波段半导体分布反馈激光器[J]. 中国激光, 2020, 47(7): 0

背景介绍

自上世纪60-70年代发展起来的半导体激光器和光纤技术促成了通信革命，使人类迅速从工业社会进入信息社会。历史上，业界先后采用了0.85 μm、1.3 μm 及1.5 μm 三个波段的半导体激光器作为通信光源。其中0.85 μm波段激光器采用三元AlGaAs/GaAs材料体系，1.3 μm 及1.5 μm波段激光器采用四元的InGaAsP/InP 或AlGaInAs/InP 材料体系。

在半导体激光器家族中，半导体分布反馈（DFB）激光器因其优异的光谱特性与调制特性，已经成为通信系统中最为重要、使用最为广泛的光源之一。DFB激光器的概念和理论最早由美国贝尔实验室的H. Kogelnik 和C. V. Shank于1971-1972年间提出，最早的半导体DFB激光器出现在1973年。经过近50年的发展，DFB激光器已被广泛应用于光通信、传感、测绘等领域。

DFB激光器是一种具有波长选择性的器件，依靠内置光栅结构实现单模激射，其基本结构如图 1所示。

（a）

（b）

（c）

图 1 DFB激光器。(a)基本结构；(b)均匀光栅结构；(c)相移光栅结构

在光纤通信领域，凭借其卓越的单模工作特性，DFB激光器已经成为波分复用（WDM）系统的重要光源。随着技术和需求的发展，近年来DFB激光器的应用领域也越来越多样化，典型应用场景包括：

1）高速直接调制应用：主要用于5G、数据中心和接入网等需要低成本光模块海量部署的场景；

2）高功率应用：主要用于硅基光子学、人眼安全激光雷达场景；

3）低噪声应用：包括窄线宽和低RIN应用。主要用于超高速、低成本相干通信系统、激光雷达以及微波光子学领域。

半导体DFB激光器进展

01

高速直接调制DFB激光器（DML）

半导体激光器的优点之一就是可以直接将电信号转换为光信号，也即具有直接调制特性。这是一种最简单、最直接的光信号产生方式。DML的优势在于低成本、低功耗、体积小、可批量生产，这对于短距离、低成本应用极为重要。在调制速率10 Gbps以上，且覆盖范围超过2 km的场合中，基本都采用了单纵模的DML。近年来，在5G和数据中心的迫切需求下，DML已经成为不可替代的光源。

在中短距光传输应用中的DML通常工作在1.3 μm波段，用以抑制光信号在光纤中传输的色散问题。目前，利用1.3 μm波段DML已经可以实现25 Gbaud，10 km以上光纤传输。

DML常见优化措施包括阻抗、结构和材料优化。阻抗优化手段相对比较简单，主要通过优化掺杂浓度、电极结构以及选取小介电常数的电极垫衬材料来实现。结构和材料层面的优化手段主要从提高光限制因子、提高微分增益、降低有源区体积等几方面考虑。典型手段包括量子阱优化、材料体系优化、光栅及分别限制层优化、有源区体积优化、集成无源结构、光光谐振效应等。

现有报道中DML最高调制带宽已达55 GHz[1]。总体来看，为满足400G以太网标准，常温下DML的带宽至少需要达到20 GHz以上才能满足单信道宽温50 Gb/s (25-Gbaud PAM-4)需求。而单信道100 Gb/s (50-Gbaud PAM-4)则至少需要30 GHz以上的带宽。从实用化角度，DML的设计制作和生产依然面临巨大的挑战。

（a）

（b）

图2 55-GHz DML。(a)小信号响应曲线；(b)112Gb/s PAM-4调制眼图[1]

文章来源：《信息通信技术与政策》 网址: http://www.xxtxzz.cn/zonghexinwen/2020/0720/406.html