高速光通信用的光电子器件的进展

      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：2～3v，LiNbO3调制器的Vpp：4～5v)、低功耗、容易与激光器或其它波导器件集成、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。MQW EA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250μm缩短到100μm，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90～250μm和450μm。在此器件中，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1.551μm，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、50℃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5～10nm，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OFC’99上报道了EA调制器与宽调谐激光器的集成。激光器采用SGDBR结构，该集成光源的特性为：Ith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SMSR>35dB，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1.523μm～1.585μm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N×N波导光栅路由器和半导体放大器阵列集成的多频激光器;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OFC’99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1.55μm 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～-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比大于13dB，利用该器件可实现16ch×2.5Gbit/s的传输。

      4.光接收器件
　　
　　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1.55μm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0.25μm。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0.23μm;根据光吸收层厚度与量子效率η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1～1.5μm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系统用的器件要求其P浓度大于5×1017cm-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/cm～100kv/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。。为了保持低功耗，IC电源为3.3V，芯片用Si双极性工艺制成，fT=40GHz，体积为2×3mm，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1.3μm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1.0dB，与PIN-PD的耦合损耗为0.3dB。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。