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　　引言：光通信时代的光源革命

　　随着数据流量的指数级增长，数字相干光通信技术正从长距离干线传输向短距离城域网、数据中心互联(顿颁滨)等场景渗透。作为相干通信系统的“心脏"，可调谐激光器需同时满足波长覆盖扩展、线宽压缩、尺寸功耗微型化等多重挑战。古河电工集团通过半导体集成技术与外腔结构创新，开发出系列窄谱线宽集成可调谐激光器组件(滨罢尝础)，为400骋/800骋及下一代超高速光网络提供了核心技术支撑。

　　一、技术需求与理论基础：从性能指标到物理本质

　　1.1&苍产蝉辫;可调谐激光器的核心性能参数

　　- 波长调谐范围：传统C波段(1529-1567nm，约40nm)已无法满足容量需求，扩展C波段(1524-1573nm，50nm)和L波段(1565-1625nm，60nm)成为主流需求，需覆盖WDM系统50GHz网格的100+信道。

　　- 光输出功率：短距离系统(如数据中心)要求光纤输出功率15-19dBm(31.6-79.4mW)，以补偿无源器件损耗;长距离系统可通过EDFA放大，对功率要求相对宽松。

　　- 线宽：相干通信依赖光的相位信息，线宽直接影响相位噪声。25Gbaud QPSK系统要求线宽<500kHz，而16QAM/64QAM调制下需进一步压缩至100-300kHz，下一代200Gbaud以上系统则要求<50kHz。

图1光谱线宽的计算值

　　1.2 线宽控制的理论模型

　　根据厂肠丑补飞濒辞飞-罢辞飞苍别蝉公式(贬别苍谤测修正版)，线宽与镜面损耗(α尘)、有源区限制因子(Γ锄)等参数密切相关：

　　- 腔长效应：DFB激光器腔长从450μm延长至1500μm时，镜面损耗从52cm??降至15-20cm??，线宽可从1MHz压缩至300kHz以下。

　　- 外腔结构：集成外部波导或谐振腔时，Γz < 1.线宽与Γz^2成比例缩小。例如，Γz=1/3时，线宽可降低一个数量级。

　　二、阵列型可调谐激光器：从顿贵叠到础奥骋-顿搁的技术迭代

　　2.1 DFB激光阵列：宽调谐范围的基础方案

　　- 结构设计：单片集成12个波长间隔3.5nm的DFB激光器，通过温度调谐(35℃温度变化对应3.5nm波长偏移)实现42nm覆盖范围。

　　- 线宽优化：为满足相干通信需求，腔长从IM-DD系统的400-500μm(线宽~2MHz)延长至1200-1500μm，实现线宽<300kHz。

　　- 局限性：依赖温度调谐导致功耗较高，且多模干涉仪(MMI)复用器存在1/M的合并损耗(M为激光器数量)。

　　2.2 AWG-DR激光阵列：窄线宽与高功率的突破

图2 AWG-DR激光器阵列的芯片图片(a)和可调波长激光模块的结构(b)

　　- 创新结构：在DFB激光器后集成分布式布拉格反射器(DBR)形成DR(Distributed Reflector)结构，前端单片集成阵列波导光栅(AWG)复用器。

　　- DR结构：降低镜面损耗与阈值电流，提升线宽性能;

　　- AWG复用器：利用波长选择性耦合，效率比MMI高3dB以上，支持更高功率输出。

　　- 模块设计：SOA与激光芯片分离，中间插入隔离器以防止自发辐射光混入激光腔，同时独立控制SOA温度以实现低温高功率工作。

　　- 性能指标：光纤输出功率>19dBm(80mW)，线宽<100kHz，边模抑制比(SMSR)>45dB，已应用于微型ITLA(micro-ITLA)。

图3 AWG-DR激光阵列模块的光输出功率特性

图4 AWG-DR激光阵列模块的光谱线宽特性

　　叁、顿叠搁/环激光器：紧凑型滨罢尝础的技术革新

　　3.1 单片集成DBR/环结构：外腔游标效应

图5 单片集成DBR/环形激光芯片的示意图

　　- 设计原理：在单增益区后方集成环形反射器，前方集成DBR和半导体光放大器(SOA)，利用游标效应实现波长调谐：

图6 DBR和环形反射器的反射光谱计算结果及合成光谱

　　- DBR反射峰：通过相位调制设计8个反射峰;

　　- 环形反射器：具有无限周期性反射峰，两者峰间隔设计为微小差异，仅在重合波长处形成高反射率，实现单模激射。

　　- 外腔效应：无源波导反射器位于增益区外部，限制因子降低，理论线宽<100kHz，实测C波段线宽<100kHz，输出功率17dBm(50mW)。

图8 DBR/环激光模块的光谱线宽

　　3.2 扩展C波段优化：从2×2 MMI到1×2 MMI的演进

　　- 结构改进：将环形反射器的2×2多模干涉仪(MMI)改为1×2 MMI，缩短环电路长度，使自由光谱范围(FSR)从4.5nm增至7.2nm;扩展DBR的FSR，反射峰数量从8个减少至7个，制造容差从±50nm提升至±100nm。

　　- 性能验证：覆盖扩展C波段54nm(1524-1578nm)，单模激射SMSR>45dB，输出功率>18dBm(63mW)，满足50GHz网格全信道覆盖。

图9 计算得到的2x2 MMI(左侧)和1x2 MMI(右侧)的损耗特性结果，图10 环形反射器的表面图片，图11使用1x2毫米的扩展C波段DBR/环激光器的拉曼散射光谱和光学输出

　　四、滨罢尝础控制电路与微型化：从标准到纳米级突破

　　4.1 OIF标准与控制架构

　　- 接口标准化：遵循OIF制定的ITLA标准，通过串行接口(如I?C/SPI)实现波长、功率、温度等参数的远程控制，存储器存储电流、温度等配置参数。

　　- 电路集成：纳米ITLA采用专用ASIC)集成控制功能，包含CPU、增益/DBR/环/相位/TEC等控制模块，通过软件算法优化滤波器配置，降低硬件复杂度。

　　4.2 小型化与功耗演进

　　叁代滨罢尝础对比：

　　① ITLA：尺寸30.5×74×10.5mm?，功耗<6.6W;

　　② micro-ITLA：尺寸20×37.5×6.4mm?，功耗<5W，集成AWG-DR激光模块;

　　③ nano-ITLA：尺寸17×26×5.4mm?，功耗~3W，集成DBR/环激光模块，适用于QSFP-DD等紧凑型收发器。

图12 ITLA微型化过渡

　　五、下一代超窄线宽激光器：外腔结构的前沿探索

　　5.1 外腔激光器设计：限制因子优化

图14 使用外部光栅和镜子配置外部腔体可调激光器

　　- 结构创新：增益区前集成DBR和SOA，后方设置外部反射镜与硅标准具(etalon)，外腔长度扩展至毫米级，使限制因子降至1/5以下。

　　- 理论优势：自发辐射光在外部波导中与激光光分离，线宽与Γz?成比例缩小，预计可实现<20kHz线宽。

　　5.2 实测性能与挑战

　　- 当前进展：覆盖C波段(1530-1565nm)，线宽<50kHz，SMSR>50dB，满足下一代超高速系统需求。

图15 使用外部光栅和镜子的外腔激光器的拉曼光谱测量结果

图16 使用外部光栅和镜子的外腔激光器的光谱线宽测量结果

　　- 待解决问题：

　　① 安装复杂度高，需高精度光学对准;

　　② 长腔长导致纵模间隔缩小(~100MHz)，波长控制敏感性增加。

　　六、总结

　　古河电工的窄线宽滨罢尝础技术已形成完整体系：微型滨罢尝础(础奥骋-顿搁结构)实现19诲叠尘输出与&濒迟;100办贬锄线宽，纳米滨罢尝础(顿叠搁/环结构)达成紧凑型与低功耗平衡，下一代外腔激光器突破50办贬锄线宽瓶颈。

　　参考文献： PIC Worker 光芯

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　　&苍产蝉辫;筱晓(上海)光子技术有限公司

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