國偉華教授團隊在CLEO和OFC報道新型光電子器件重要研究進展

  近期，華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心國偉華教授團隊(III-V實驗室)聯(lián)合寧波元芯光電子科技有限公司，在光通信領(lǐng)域的旗艦學(xué)術(shù)會議美國激光與光電子(CLEO 2022)以及美國光纖通訊博覽會及研討會(OFC 2022)上報道了新型光電子器件相關(guān)的研究進展，成果包括基于新型國產(chǎn)化窄線寬大范圍可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的集成可調(diào)諧激光器模組(Nano-iTLA)、基于深紫外光刻可量產(chǎn)的高速薄膜鈮酸鋰調(diào)制器、面向調(diào)頻連續(xù)波FMCW激光雷達的線性掃頻光源以及新型大功率單模半導(dǎo)體激光器。

  具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大范圍可調(diào)諧激光器

  基于新型國產(chǎn)化大范圍可調(diào)諧激光器的集成可調(diào)諧激光器模組(Nano-iTLA)，是面向長距相干光通信以及數(shù)據(jù)中心間高速光互連的高端光電集成模組。其特點是調(diào)諧范圍大，覆蓋擴展的光通信C波段(C++);光源線寬窄，可以用于高速相干光傳輸;模組體積小(最新的nano規(guī)格)以及功耗低等。目前商用的可調(diào)諧激光器技術(shù)主要由美國新飛通公司所壟斷，國內(nèi)仍然需要大量進口。國偉華教授帶領(lǐng)團隊專注研發(fā)8年，從創(chuàng)新的激光器概念入手，2017年實現(xiàn)新型國產(chǎn)化大范圍可調(diào)諧激光器芯片的設(shè)計和制作，2020年實現(xiàn)芯片的封裝和產(chǎn)業(yè)化，2021年實現(xiàn)外圍控制電路和算法的集成。目前激光器性能媲美國外同類產(chǎn)品指標，為5G骨干網(wǎng)通信、數(shù)據(jù)中心間高速光互連提供低成本高可靠性的國產(chǎn)化解決方案[1]。

[1] Zifeng Chen et al, “Nano-iTLA Based on Multi-Channel Interference Widely Tunable Laser,” OFC 2022, Tu3D.6 (https://doi.org/10.1364/OFC.2022.Tu3D.6)

  基于深紫外光刻可量產(chǎn)的高速薄膜鈮酸鋰調(diào)制器

  基于新型薄膜鈮酸鋰 (TFLN)平臺的高速馬赫曾德(MZ)調(diào)制器，因其具有體積小、帶寬高、半波電壓低的優(yōu)點，在光纖通訊和光纖傳感等領(lǐng)域具有重要的潛在應(yīng)用價值，是近年來的研究熱點。雖然世界各地的不同團隊已經(jīng)實現(xiàn)了高性能演示，但要真正使這種類型的調(diào)制器可廣泛部署，必須建立適合大規(guī)模生產(chǎn)的工藝流程，例如必須實現(xiàn)基于光刻的全晶圓加工。迄今為止，在工業(yè)產(chǎn)線上通過光刻技術(shù)制造基于全晶圓加工的高性能 MZ 調(diào)制器尚未見報道。國偉華教授團隊經(jīng)過幾年的研發(fā)，基于深紫外光刻技術(shù)在4英寸 TFLN 晶圓上展示了低VπL (1.98 V×cm)，寬調(diào)制帶寬 (> 67 GHz)，低插入損耗 (2.5 dB)，可量產(chǎn)，從材料到加工全國產(chǎn)的高性能MZ 調(diào)制器，這是朝著大規(guī)模生產(chǎn)TFLN高速 MZ 調(diào)制器邁出的重要一步[2]。

[2] Heng Li et al, “High Performance Thin-Film Lithium Niobate MZ Modulator Ready for Massive Production,” OFC 2022, M2D.5 (https://doi.org/10.1364/OFC.2022.M2D.5)

  面向調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)激光雷達的線性掃頻光源

  調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)激光雷達與飛行時間(ToF)激光雷達方案不同，F(xiàn)MCW方案可以實現(xiàn)速度和距離的同時測量，具有較高的空間分辨率。另外FMCW方案采用外差探測方式，可以避免環(huán)境光的影響。面向FMCW激光雷達的掃頻光源采用DBR激光器方案，和傳統(tǒng)的SG-DBR不同的是，該方案的前鏡(Front Mirror)采用均勻光柵來提高透過率，以便獲得大功率輸出;后鏡(Back Mirror)采用取樣光柵，以便獲得窄線寬性能。所研發(fā)的激光器芯片實現(xiàn)了大功率輸出(96 mW)、窄線寬(313 kHz)以及良好的單模(SMSR > 55 dB)特性。經(jīng)過線性預(yù)失真后，在24 GHz的調(diào)諧帶寬內(nèi)，上下半坡掃頻實現(xiàn) 0.021%和0.02%的非線性度。該激光器有望作為線性掃頻光源用在FMCW激光雷達系統(tǒng)中[3]。

[3] Gong Zhang et al, “High Output Power DBR Laser for FMCW LiDAR System,” OFC 2022, Th2A.10 (https://doi.org/10.1364/OFC.2022.Th2A.10)

  新型大功率單模半導(dǎo)體激光器

  1.55 μm波長附近的大功率單模半導(dǎo)體激光器廣泛應(yīng)用于自由空間光通信、硅光(SiPh)光學(xué)共封(CPO)、相干光纖通信、激光雷達(LiDAR)系統(tǒng)等。國偉華教授團隊提出一種雙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的高功率單模半導(dǎo)體激光器，通過引入下波導(dǎo)結(jié)構(gòu)削弱了脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的橫向光學(xué)約束，從而保證在寬波導(dǎo)情況下高功率輸出的同時實現(xiàn)穩(wěn)定單模運轉(zhuǎn)。所制備具有8微米寬波導(dǎo)的激光器展示了良好的單模特性，邊模抑制比超過55 dB，輸出功率近180 mW，相對強度噪聲(RIN)低于-157 dB/Hz，線寬低達250 kHz。進一步地，通過選擇性濕法蝕刻去除量子阱，并在激光器兩端集成無源波導(dǎo)，該激光器可望大幅度提升性能的同時避免高功率對激光器端面造成災(zāi)變損傷[4]。

[4] Yuanhao Zhang et al, “Demonstration of High-Power DFB Lasers with High Single Mode Yield and Low RIN,” CLEO 2022, JW3B.73.

  CLEO和OFC會議被公認為光通信領(lǐng)域全球規(guī)格最高、規(guī)模最大、歷史最悠久、專業(yè)性最強、影響力最大的國際性盛會。國偉華教授團隊博士研究生陳子楓、李珩、張功、張元昊、向敏文參與了相關(guān)研究。

  供稿 / 國偉華

  編輯 / 茍冰冰